A ESTRANHA NATUREZA DA LUZ

Meu artigo no último As Artes entre as Letras:

A luz tem duas caras: tanto aparece na forma de partícula como na forma de onda. Uma maneira de descrever esse seu comportamento dual consiste em dizer que viaja como uma onda mas é observada como uma partícula ou grão de luz, ao qual se deu o nome de fotão. A teoria quântica permite conciliar esses dois aspectos aparentemente contrário, pois uma onda está espalhada por todo o lado ao passo que uma partícula está localizada num ponto do espaço.

Para o físico inglês Isaac Newton, que há 350 anos começou a fazer experiências de óptica, aproveitando a luz que lhe entrava pela janela do quarto e um prisma, a luz era formada por partículas. Pois não se sabia desde a antiguidade que os raios, fossem eles do Sol ou de outra fonte, viajam em linha recta, como é próprio de um projéctil? Para o grande sábio inglês a luz branca era desdobrada em luz de várias cores no interiro do prisma simplemente porque ela era composta por corpúsculos de tamanhos diferentes. Os maiores viajavam mais lentamente no vidro, ao passo que os menores viajavam mais rapidamente.  As cores do arco-íris que apareciam no vidro e continuava quando o feixe saía estavam associadas ao diferente tamanho das partículas. Newton acertou em cheio quando afirmou que o branco tinha todas as cores e quando explicou o  desdobramento das cores  pela diferente velocidade das partículas, embora tivesse falhado quando imaginou partículas de diferentes tamanhos.

A teoria corpuscular da luz foi contraditada por grandes sábios da época como o inglês Robert Hooke, que escreveu a Newton apontando inconsistências à teoria newtoniana. Foi numa resposta que Newton escreveu a sua famosa frase: “Se consegui ver mais longe foi porque estava aos ombros de gigantes.” Os historiadores de ciência ainda hoje não sabem se era uma metáfora sobre a construção da ciência ou se era antes um dito jocoso, dada a pequena estatura de Hooke. A autoridade de Newton, que foi durante muitos anos Presidente da Royal Society de Londres, parecia ter imposto de início o conceito corpuscular de luz mas o fenómeno da difracção observado no mesmo ano de 1665, quando Newton criava o arco-íris em sua casa, por um padre jesuíta em Bolonha, o italiano Francesco Grimaldi, continha em si uma crítica muito forte à teoria de Newton.  A difracção consiste no espalhamento da luz quando ela atravessa um pequeno orifício. Um projéctil iria simplesmente a direito, mas a luz, como é próprio de uma onda, espalha-se nessa circunstância em todas as direcções.

Porém, só no início do século XIX a teoria de Newton foi descartada. Uma experiência com passagem de luz por dois orifícios efectuada pelo médico inglês Thomas Young mostrava, sem apelo nem agravo, que a luz era um fenómeno ondulatório. Verifica-se não apenas difracção em cada orifício, mas também interferência – isto é sobreposição construtiva ou destrutiva - da luz que provinha dos dois. Há 200 anos o francês Augustin-Jean Fresnel descrevia matematicamente as ondas de luz, que se manifestavam na experiência de Grimaldi ou de Young.  Mas uma onda é a propagação de uma perturbação de alguma coisa? O quê?  Há 150 anos, o esccês James Clerk Maxwell, num golpe de génio, esclareceu que ondas eram essas: eram perturbações  dos campos eléctrico e magnético, sempre associados um ao outro. A luz eram ondas electromagnéticas. O alemão Hienrich Hertz mostrou no seu laboratório, alguns anos volvidos, que era possível emitir e recolher luz invisível de comprimento de onda muito maior do que a luz visível. Essas ondas foram chamadas ondas hertzianas ou ondas de rádio. Parecia que a teoria corpuscular de Newton estava morta e enterrada.

Mas, em 1905, o físico suíço Albert Einstein havia de a ressuscitar. Ao tentar interpretar um outro fenómeno estudado por Hertz, sem relação directa com as ondas hertzianas, chegou à conclusão que a luz é afinal formada por partículas. O fenómeno era o efeito fotoeléctrico. Luz invisível muito energética conhecida por luz ultavioleta , ao incidir numa placa metálica, conseguia arrancar electrões que fechavam um circuito: de algum modo a energia da luz era convertida em energia eléctrica. O choque da luz com os electrões só podia ser explicado pensando que um grão de luz batia num electrão. Não foi Einstein que chamou fotões a esses grãos, mas sim mais tarde o químico norte-americano Gilbert Lewis. Einstein chamou-lhes, em alemão, Lichtquanta (quantidades de luz). A palavra quanta é o plural de quantum, que significa quantidades. O conceito de quanta tinha sido introduzido em 1900 pelo alemão Max Planck ao descrever o chamado “problema do corpo negro”, a distribuição da intensidade da radiação dentro de um forno aquecido pelo conjunto de  comprimentos de onda. Planck, embora de forma algo relutante, propôs a extraordinária hipótese quântica: a luz é emitida ou absorvida pelas paredes do forno em quantidades discretas, os tais quanta ou pacotes de luz. Mas Einstein foi mais longe, ao afirmar que a luz não só era emitida e absorvida em pacotes, mas também existia em pacotes, ou pelo menos manifestava-se em pacotes noutras circunstâncias, designadamente quando interagia com electrões. Ganhou o Prémio Nobel da Física de 1921 por essa sua hipótese.

Eisntein estava certo e agora só faltava conciliar os opostos, isto é, desenvolver uma teoria consistente que permitia explicar o carácter dual da luz. A teoria iniciada por  Planck e Einstein acabou por fazer o seu caminho, ficando pronta em 1926, com artigos do alemão Werner Heisenberg e pelo austríaco Erwin Schroedinger. A teoria quântica permite-nos hoje descrever a  luz e a interacção da luz com a matéria. Pode parecer esquizofrénico, mas a luz é por vezes partícula – o fotão – e, por vezes onda. Tudo depende do dispositivo  e do modo de observação.

O físico português José Tinto de Mendonça, no seu recente livro “Uma biografia da luz. Ou a triste história do fotão cansado” (Gradiva, Colecção Ciência Aberta, , n.º 211) fala assim da estranha natureza da luz: “Há nomes de pessoas que são estereótipos de esquizofrenia: Ortega y Gasset, Costa e Silva, Cotton-Mouton ou Cohen-Tannoudji, o sábio de Tunes. Dois personagens numa só pessoa. O mesmo dilema se encontra na luz, que não sabe se é onda ou se é partícula. E tem, que ser as duas coisas ao mesmo tempo.”