SOBRE O FÓTON

Durante o decorrer deste trabalho, os conceitos de Física e o comportamento e algumas das propriedades dos fótons, descritos nessa seção, serão utilizados como base para a cons- trução das diversas proposições que serão apresentadas.

O fóton foi escolhido neste artigo para servir de fio condutor do texto, interligando as seções e temas abordados, devido ao conhecimento e documentação disponíveis sobre a natureza do próprio fóton e sobre os mecanismos de percepção visual, provavelmente o mais estudado dos sentidos sensoriais do ser humano.

Antes de entrarmos propriamente na descrição do fóton, convém inserir esta partícula elementar no contexto mais amplo dos blocos básicos constituintes da matéria. A física de partículas é a disciplina responsável por explicar como interagem os blocos básicos de cons- trução da matéria e as quatro forças fundamentais da natureza que governam essas inte- rações. As teorias e descobertas de milhares de físicos desde a década de 1930, resultaram em uma visão notável da estrutura fundamental da matéria: tudo no universo parece ser feito a partir de alguns blocos básicos de construção chamados de partículas elementares, regido por quatro forças fundamentais. O Modelo Padrão é a teoria da física de partículas que melhor explica como as partículas elementares e três das forças fundamentais intera- gem umas com as outras. Desenvolvido na década de 1970, esse modelo explicou com sucesso quase todos os resultados experimentais e previu com precisão uma grande varie- dade de fenômenos. Ao longo do tempo, e de muitos experimentos, o Modelo Padrão se estabeleceu como uma teoria física bem testada (CERN, 2013).

O Modelo Padrão, que descreve o comportamento das forças nucleares forte e fraca, da energia eletromagnética e das partículas elementares que constituem a matéria, estabe- lece a existência de dois tipos básicos de subpartículas: os férmions e os bósons. Simplifica- damente, férmions são as partículas que constituem a matéria propriamente dita, enquanto os bósons são as partículas portadoras das forças fundamentais que interagem com a matéria (Novaes, 2000).

Ainda, segundo o Modelo Padrão, há diferentes tipos de férmions e de bósons. Os fér- mions subdividem-se em quarks e léptons. Existem vários tipos de quarks, que são as sub- partículas constituintes de prótons e nêutrons, mantidas unidas pela interação forte. Exis- tem também tipos diferentes de léptons, entre os quais destacam-se os elétrons e os neu- trinos. Já os bósons são divididos em oito espécies de glúons, responsáveis pela interação forte, nos bósons W e Z, responsáveis pela interação fraca, no bóson de Higs, responsável pela existência da massa inercial, e nos fótons, responsáveis pela interação da energia ele- tromagnética (Novaes, 2000). O Modelo Padrão e seus componentes básicos estão suma- riamente representados na esquematização abaixo:

Modelo Padrão

• Forças fundamentais • Força nuclear forte • Força nuclear fraca • Força eletromagnética • Força gravitacional • Partículas Elementares • Férmions • Quarks • Léptons 142

• Elétrons • Neutrinos • Múons • Taus • Bósons • Glúons • Bósons W e Z • Bóson de Higs • Fóton

Uma vez contextualizado o fóton no Modelo Padrão, examinemos agora as suas carac- terísticas e propriedades que nos interessam no momento. O fóton é a menor porção exis- tente de radiação eletromagnética, constituindo sua unidade discreta de energia. O con- ceito de quantum, ou unidade discreta de energia, foi proposto originalmente no final do ano de 1900 pelo físico alemão Max Plank (1858-1947), laureado com o Prêmio Nobel de Física em 1918. Esse conceito, hoje conhecido como postulado de Plank, estabelece que a energia eletromagnética somente pode ser emitida ou absorvida na forma quântica, ou seja, em múltiplos discretos de uma unidade elementar de energia.

Em 1905, Albert Einstein explicou o efeito fotoelétrico e a natureza da dualidade onda- partícula, propondo que a transmissão da luz ocorresse pelo envio de quantidades discre- tas de energia, como sugerido por Plank. Somente mais tarde, em 1926, surgiria o termo fóton, de etimologia grega, significando luz.

Conforme descrito anteriormente, os fótons são bósons portadores da energia eletro- magnética e constituem o quantum da radiação eletromagnética. De fato, a interação ele- tromagnética ocorre como resultado da troca de fótons. De forma similar, considera-se atualmente que todas as interações entre as forças fundamentais da natureza ocorram como resultado da troca de partículas elementares específicas. Estas subpartículas, com a função de agentes mediadores das forças fundamentais, são chamados de bósons interme- diários. Desse modo, de acordo com o Modelo Padrão, não existe contato direto durante a interação entre as partículas, como por exemplo entre elétrons, apenas a troca de agentes. A ação se dá à distância (Marques; UETA, 2007).

Os fótons são continuamente emitidos nas colisões entre átomos, quando elétrons movem-se de um orbital para outro, e também são produzidos por núcleos atômicos instá- veis durante algum tipo de processo de decaimento nuclear, como por exemplo em mate- riais radioativos. Fontes de luz visível, como o Sol ou uma lâmpada, emitem uma mistura de fótons de diferentes frequências e comprimentos de onda. Porém, os fótons também podem ser encontrados em estados bem organizados, denominados estados coerentes, como os raios de luz monocromática, denominados de luz coerente, emitidos por dispositi- vos laser2.

A radiação eletromagnética incidente na superfície de objetos não emissores, incluindo a luz visível, interesse de estudo neste trabalho, pode ser parcialmente absorvida, refletida ou transmitida, de acordo com a natureza da superfície e com a frequência da radiação. Quanto maior a frequência, mais energia tem a radiação, podendo penetrar ou até mesmo

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Sobre a natureza da Informação, dado e conhecimento tema 1

2_{Embora os fótons sejam comumente associados à luz visível, toda radiação eletromagnética é quantizada em fótons.}

Assim, todos os tipos de transmissores de telecomunicações como o rádio, televisão, telefones celulares, radares, GPS, e diversos outros dispositivos como fornos de micro-ondas e aparelhos de raios X e de ressonância magnética, emitem uma extensa variedade de fótons (Nota do autor).

atravessar os objetos sobre os quais incidem, como por exemplo os raios gama e os raios cósmicos. Já a intensidade, ou brilho, da luz visível é dependente da quantidade de fótons emitidos ou refletidos.

Todos os fótons movem-se permanentemente à velocidade da luz, de acordo com o meio em que viajam. Diferentemente de outras subpartículas, não é possível a existência de fótons em repouso. Deste modo, a definição de massa de repouso não faz sentido para os fótons, sendo um consenso atual entre os físicos afirmar que fótons são partículas sem massa (Novaes, 2000).

De acordo com o conceito de dualidade partícula-onda, descrita pela mecânica quântica, os fótons se comportam ora como partícula, por exemplo quando captados pela retina humana, ora como onda, quando viajam pelo espaço interestelar. Esse comportamento, previsto pela interpretação de Copenhagen3, é comprovado pelo clássico experimento das duas fendas, ou experimento de Young, o qual apresenta como resultado um padrão de interferência quando uma partícula elementar, como um elétron ou um fóton, comporta- se como uma onda. Este padrão de interferência não ocorre quando a partícula elementar apresenta-se com uma natureza corpuscular (Fernandes; Lima-Marques, 2012, p. 32). Ainda com base no experimento de Young, e de acordo com a interpretação de Copenhagen, observa-se que a presença de aparelhos de medição ou de um observador provoca a mudança da natureza ondulatória para a corpuscular, com o consequente desaparecimento do padrão de interferência.

Concluída a apresentação dos conceitos e propriedades dos fótons que serão utilizados ao longo do texto, examinemos agora o processo de percepção de estímulos visuais, pelo qual os fótons são absorvidos pela retina humana.