Luz

Espalhamento nas superfícies

Um objeto transparente permite que a luz o atravesse, ou seja, que seja transmitida. Um objeto opaco impede essa passagem e reflete ou absorve a luz que recebe. A maioria dos objetos não reflete nem transmite a luz de forma inteiramente especular, mas espalha parte da luz incidente, o que determina seu brilho superficial. O espalhamento na superfície decorre da rugosidade das superfícies refletoras. No interior do objeto, ele decorre da diferença entre os índices de refração das partículas e do meio em que elas se encontram. Assim como os objetos transparentes, os translúcidos deixam a luz passar, mas também espalham internamente determinados comprimentos de onda.

Refração

A refração é o desvio dos raios de luz ao atravessar a superfície que separa dois materiais transparentes. A lei de Snell expressa essa relação:

$${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}$$

Nessa expressão, ${\displaystyle \theta _{1}}$ é o ângulo entre o raio e a normal à superfície no primeiro meio, e ${\displaystyle \theta _{2}}$ é o ângulo entre o raio e a normal no segundo meio. As grandezas ${\displaystyle n_{1}}$ e ${\displaystyle n_{2}}$ são os índices de refração, com ${\displaystyle n=1}$ no vácuo e ${\displaystyle n>1}$ em uma substância transparente.

Quando um feixe de luz atravessa a fronteira entre o vácuo e outro meio, ou entre dois meios diferentes, seu comprimento de onda muda, mas sua frequência permanece constante. Se o feixe não for perpendicular à fronteira, ou seja, se não seguir a direção da normal, a mudança de comprimento de onda altera sua direção de propagação. Essa mudança de direção chama-se refração.

A capacidade das lentes de refratar a luz é usada com frequência para alterar o tamanho aparente das imagens. Lupas, óculos, lentes de contato, microscópios e telescópios refratores são exemplos desse uso.

Grécia clássica e período helenístico

No século V a.C., Empédocles propôs que tudo era composto de quatro elementos, fogo, ar, terra e água. Ele acreditava que a deusa Afrodite havia criado o olho humano a partir desses elementos e acendido nele um fogo, cuja luz saía do olho e tornava a visão possível. Se isso fosse verdade, seria possível enxergar à noite tão bem quanto de dia. Empédocles propôs, então, uma interação entre os raios emitidos pelos olhos e os de uma fonte como o Sol.

Por volta de 300 a.C., Euclides escreveu Optica, obra em que estudou as propriedades da luz. Ele postulou que a luz se propagava em linha reta e formulou as leis da reflexão, que estudou matematicamente. Questionou a ideia de que a visão resultava de um raio emitido pelo olho, perguntando como alguém conseguia ver as estrelas imediatamente ao fechar e abrir os olhos à noite. Essa dificuldade desapareceria se o raio emitido pelo olho tivesse velocidade infinita.

Em 55 a.C., o romano Lucrécio, que deu continuidade às ideias dos atomistas gregos, escreveu em Da natureza do universo: "A luz e o calor do Sol são compostos de átomos minúsculos que, quando lançados, atravessam sem demora o espaço de ar na direção do impulso recebido". Embora semelhantes às teorias corpusculares posteriores, suas ideias não foram amplamente aceitas. Ptolomeu, que viveu por volta do século II, escreveu sobre a refração da luz em sua obra Óptica.

Índia clássica

Na Índia antiga, a escola hindu sânquia distinguia cinco elementos sutis, chamados de tanmatra, dos quais se formavam os elementos materiais. Cada elemento sutil correspondia a uma qualidade sensível, entre elas a visibilidade. A escola vaisesica recorria ao atomismo e atribuía a cor aos átomos do elemento fogo. O Vishnu Purana menciona sete raios do Sol em sua narrativa da dissolução do mundo.

No budismo, as escolas vaibhāṣika e sautrāntika desenvolveram concepções atomistas em que os constituintes materiais eram imperceptíveis e momentâneos. A cor figurava entre as qualidades consideradas nessa análise da matéria.

Descartes

René Descartes, que viveu de 1596 a 1650, defendia que a luz era uma propriedade mecânica do corpo luminoso. Rejeitava as "formas" de Ibn al-Haytham e Witelo, assim como as "espécies" de Roger Bacon, Robert Grosseteste e Johannes Kepler. Em 1637, publicou uma teoria da refração que supunha, incorretamente, que a luz se propagava mais depressa em um meio mais denso do que em um menos denso. A hipótese era compatível com a analogia feita com o som, que se propaga mais depressa na água do que no ar. Embora estivesse errado sobre as velocidades relativas, Descartes relacionou a refração à propagação da luz em meios diferentes.

Descartes não foi o primeiro a recorrer a analogias mecânicas. A afirmação explícita de que a luz era apenas uma propriedade mecânica do corpo luminoso e do meio de transmissão, porém, fez com que sua teoria fosse tomada como o início da óptica física moderna.

Teoria corpuscular

Pierre Gassendi, que viveu de 1592 a 1655 e defendia o atomismo, propôs uma teoria corpuscular da luz publicada após sua morte, na década de 1660. Isaac Newton estudou seus trabalhos ainda jovem e preferiu suas ideias à teoria cartesiana do plenum. Em Hypothesis of Light, de 1675, apresentou uma hipótese mecânica que admitia corpúsculos capazes de provocar vibrações no éter. Newton, porém, evitou fixar uma definição da natureza da luz e distinguiu suas conclusões experimentais das hipóteses usadas para explicá-las. Um de seus argumentos contra a natureza ondulatória da luz era que as ondas contornavam obstáculos, enquanto a luz se propagava apenas em linha reta. Ainda assim, explicou a difração da luz, observada por Francesco Grimaldi, admitindo que uma partícula de luz poderia criar uma onda localizada no éter.

No artigo "Nova teoria sobre luz e cores", publicado em 1672, Newton havia defendido que a luz branca era uma mistura de raios de cores diferentes e que o prisma separava esses componentes. A proposta recebeu críticas de Robert Hooke, Christiaan Huygens e Ignace-Gaston Pardies, que questionaram os experimentos e sua interpretação.

A teoria de Newton permitia prever a reflexão, mas só explicava a refração com a suposição incorreta de que a luz acelerava ao entrar em um meio mais denso porque a atração gravitacional era maior. Newton publicou a versão final de sua teoria em Opticks, de 1704. Seu prestígio ajudou a teoria corpuscular da luz a predominar no século XVIII. Essa teoria levou Pierre-Simon de Laplace a defender que um corpo poderia ter massa suficiente para impedir a fuga da luz, tornando-se o que se chama de buraco negro. Laplace retirou sua proposta depois que a teoria ondulatória se estabeleceu como explicação da luz, embora nenhuma das duas teorias, isoladamente, seja inteiramente correta. O livro The Large Scale Structure of Space-Time, de Stephen Hawking e George Ellis, contém uma tradução do ensaio de Laplace sobre esse tema.

Newton foi o primeiro a explicar qualitativamente a polarização da luz com a teoria corpuscular. Em 1810, Étienne-Louis Malus criou uma teoria matemática corpuscular da polarização. Em 1812, Jean-Baptiste Biot mostrou que ela explicava todos os fenômenos de polarização da luz conhecidos. Naquele momento, a polarização era vista como uma comprovação da teoria corpuscular.

Teoria ondulatória

Para explicar a origem das cores, Robert Hooke, que viveu de 1635 a 1703, desenvolveu uma "teoria de pulsos". Na "Observação IX" de Micrographia, de 1665, comparou a propagação da luz à das ondas na água. Em 1672, propôs que as vibrações da luz poderiam ser perpendiculares à direção de propagação. Christiaan Huygens, que viveu de 1629 a 1695, formulou uma teoria matemática ondulatória da luz em 1678 e a publicou em Tratado sobre a luz, de 1690. Ele propôs que a luz era emitida em todas as direções como uma sequência de ondas em um meio chamado éter luminífero. Como se supunha que a gravidade não afetava as ondas, esperava-se que elas desacelerassem ao entrar em um meio mais denso. Outro defensor da teoria ondulatória foi Leonhard Euler, que argumentou em Nova Theoria lucis et colorum, de 1746, que a difração seria mais fácil de explicar por uma teoria de ondas.

A teoria ondulatória previa que as ondas luminosas poderiam interferir umas com as outras, assim como as ondas sonoras, como observou Thomas Young por volta de 1800. Young realizou muitos experimentos de difração que mostraram o comportamento ondulatório da luz. Em janeiro de 1802, apresentou publicamente sua "lei geral" da interferência no livro A Syllabus of a Course of Lectures on Natural and Experimental Philosophy:

Mas a lei geral que rege todos esses fenômenos pode ser deduzida com muita facilidade da interferência de duas ondulações coincidentes, que se reforçam ou se destroem mutuamente, da mesma maneira que duas notas musicais produzem aumentos e diminuições alternados de intensidade nos batimentos de um uníssono imperfeito.

Young também propôs que as diferentes cores resultavam de diferentes comprimentos de onda da luz e explicou a visão em cores pela existência de receptores sensíveis a três cores no olho.

Em 1816, André-Marie Ampère apresentou a Augustin Jean Fresnel a ideia de que a teoria ondulatória poderia explicar a polarização caso a luz fosse uma onda transversal. Fresnel desenvolveu de forma independente sua própria teoria ondulatória. Apresentou seus primeiros trabalhos sobre difração à Academia de Ciências da França em 1815 e os aperfeiçoou para concorrer ao prêmio proposto em 1817. Siméon Denis Poisson contestou o modelo, pois ele previa um ponto luminoso no centro da sombra de um obstáculo circular, o que parecia contrariar o senso comum. François Arago montou um experimento que mostrou esse ponto luminoso. A objeção de Poisson acabou fornecendo uma nova confirmação experimental da teoria ondulatória. Em 1817, Young escreveu a Arago propondo que a luz consistia em ondas transversais, e não longitudinais como as do som. Fresnel adotou a ideia e mostrou matematicamente que uma teoria de ondas transversais, sem vibração longitudinal, explicava a polarização da luz.

A dificuldade da teoria ondulatória era a necessidade de um meio de transmissão para as ondas luminosas, assim como para as sonoras. A existência do éter luminífero, substância hipotética proposta por Huygens em 1678, foi posta em dúvida no fim do século XIX pela experiência de Michelson-Morley.

A teoria corpuscular de Newton previa que a luz se propagaria mais depressa em um meio mais denso, enquanto a teoria ondulatória de Huygens e de outros físicos previa o contrário. As medições da velocidade da luz ainda não eram precisas o suficiente para decidir qual teoria estava correta. Léon Foucault foi o primeiro a fazer uma medição com a precisão necessária, em 1850. O resultado favoreceu a teoria ondulatória, e a teoria corpuscular clássica foi abandonada. Parte da ideia corpuscular retornaria no século XX, com os fótons da teoria quântica.

Teoria eletromagnética

Em 1845, Michael Faraday descobriu que o plano de polarização da luz linearmente polarizada gira quando os raios luminosos atravessam um dielétrico transparente na direção de um campo magnético. Esse fenômeno recebeu o nome de efeito Faraday. Foi a primeira demonstração de uma relação entre a luz e o eletromagnetismo. Em 1846, Faraday propôs que a luz poderia ser uma perturbação que se propagava ao longo das linhas do campo magnético. Em 1847, sugeriu que ela era uma vibração eletromagnética de alta frequência, capaz de se propagar mesmo sem um meio como o éter.

O trabalho de Faraday levou James Clerk Maxwell a estudar a radiação eletromagnética e a luz. Maxwell descobriu que ondas eletromagnéticas capazes de se propagar por si mesmas viajariam pelo espaço a uma velocidade constante, igual à velocidade da luz já medida. Concluiu que a luz era uma forma de radiação eletromagnética e apresentou esse resultado em 1862, em On Physical Lines of Force. Em 1873, publicou Tratado sobre Electricidade e Magnetismo, com uma formulação matemática completa do comportamento dos campos elétricos e magnéticos, expressa nas equações de Maxwell. Pouco depois, Heinrich Hertz confirmou experimentalmente a teoria ao gerar e detectar ondas de rádio em laboratório e mostrar que elas apresentavam as mesmas propriedades da luz visível, como reflexão, refração, difração e interferência. A teoria de Maxwell e os experimentos de Hertz levaram diretamente ao desenvolvimento do rádio, do radar, da televisão, da obtenção de imagens por radiação eletromagnética e das comunicações sem fio.

Na teoria quântica, os fótons são compreendidos como pacotes das ondas da teoria clássica de Maxwell. A teoria quântica foi necessária para explicar fenômenos que a teoria clássica não conseguia explicar, mesmo na faixa visível, como as linhas espectrais.

Teoria quântica

Em 1900, ao tentar explicar a radiação de corpo negro, Max Planck propôs que, embora a luz fosse uma onda, ela só poderia ganhar ou perder energia em quantidades finitas relacionadas à sua frequência. Ele chamou essas porções de energia luminosa de "quanta", palavra derivada do latim para "quanto". Em 1905, Albert Einstein usou a ideia dos quanta de luz para explicar o efeito fotoelétrico e propôs que eles tinham existência "real". Em 1923, Arthur Holly Compton mostrou que a mudança de comprimento de onda observada no espalhamento de raios X de baixa intensidade por elétrons, o chamado espalhamento Compton, podia ser explicada por uma teoria corpuscular dos raios X, mas não por uma teoria ondulatória. Em 1926, Gilbert Newton Lewis deu a essas partículas de luz o nome de fótons.

A mecânica quântica passou a conceber a luz, em certo sentido, como partícula e onda e, em outro, como um fenômeno que não corresponde a nenhuma dessas categorias. Partículas e ondas são, na verdade, conceitos macroscópicos, como bolas de beisebol e ondas do mar. Sob determinadas aproximações, a luz pode ser representada pela matemática adequada à analogia com partículas e, em outras, pela matemática da analogia com ondas.

Como ocorre com as ondas de rádio e com os raios X envolvidos no espalhamento Compton, a radiação eletromagnética tende a se comportar mais como uma onda clássica nas frequências baixas e mais como uma partícula clássica nas frequências altas, sem perder inteiramente as propriedades de nenhum dos dois modelos. A luz visível ocupa uma faixa intermediária de frequências. Em experimentos, é fácil mostrar que seu comportamento pode ser explicado por um modelo ondulatório, corpuscular ou, em certos casos, pelos dois.

Em 1924 e 1925, Satyendra Nath Bose mostrou que a luz obedecia a uma estatística diferente da das partículas clássicas. Com Einstein, generalizou esse resultado para um conjunto de partículas de spin inteiro, chamadas de bósons em sua homenagem, que obedecem à estatística de Bose-Einstein. O fóton é um bóson sem massa e de spin 1.

Em 1927, Paul Dirac quantizou o campo eletromagnético. Pascual Jordan e Vladimir Fock generalizaram esse processo para representar sistemas de muitos corpos como excitações de campos quânticos, procedimento que recebeu o nome pouco adequado de segunda quantização. No fim da década de 1940, uma teoria completa da eletrodinâmica quântica foi desenvolvida com campos quânticos a partir dos trabalhos de Julian Schwinger, Richard Feynman, Freeman Dyson e Shinichiro Tomonaga.

Óptica quântica

John Klauder, George Sudarshan, Roy J. Glauber e Leonard Mandel aplicaram a teoria quântica ao campo eletromagnético nas décadas de 1950 e 1960 para compreender melhor a fotodetecção e a estatística da luz, incluindo seu grau de coerência. Desse trabalho surgiu o conceito de estado coerente, que permitiu abordar as diferenças entre a luz laser, a luz térmica e estados incomuns, como os estados comprimidos. Ficou claro que não bastava recorrer aos campos eletromagnéticos da formulação clássica das ondas para explicar completamente a luz. Em 1977, H. Jeff Kimble, M. Dagenais e Leonard Mandel observaram o antiagrupamento de fótons na fluorescência de átomos de sódio, um comportamento que exige a quantização do campo eletromagnético. Depois foram descobertos estados quânticos da luz até então desconhecidos, com propriedades diferentes das dos estados clássicos, como a luz comprimida.

O desenvolvimento de pulsos de laser curtos e ultracurtos, produzidos por técnicas de comutação do fator de qualidade e travamento de modos, abriu caminho para o estudo dos processos ultrarrápidos. Surgiram aplicações na pesquisa do estado sólido, como a espectroscopia Raman, e foram estudadas as forças mecânicas da luz sobre a matéria. Essas forças permitiram suspender e posicionar nuvens de átomos ou pequenas amostras biológicas com um feixe de laser, por meio de uma armadilha óptica ou pinça óptica. Técnicas como o resfriamento Doppler e o resfriamento Sísifo permitem reduzir a temperatura dos átomos com luz laser. A combinação de resfriamento a laser, aprisionamento magnético e resfriamento evaporativo permitiu obter os primeiros condensados de Bose-Einstein em gases atômicos diluídos.

Outros resultados foram a demonstração do emaranhamento quântico, o teletransporte quântico e as portas lógicas quânticas. Essas portas despertam interesse na ciência da informação quântica, área que surgiu em parte da óptica quântica e em parte da ciência da computação teórica.