Refração de ondas e partículas

Um ponto de vista prevê a luz como uma natureza ondulatória, produzindo energia que atravessa o espaço de maneira semelhante às ondulações que se espalham pela superfície de um lago tranquilo depois de ser perturbado pela queda de uma pedra. A visão oposta sustenta que a luz é composta de um fluxo constante de partículas, muito parecido com pequenas gotas de água borrifadas de um bico de mangueira de jardim. Este tutorial interativo explora como partículas e ondas se comportam quando refratadas através de uma superfície transparente.

O tutorial começa com partículas de luz vermelha monocromática (fótons) impactando a superfície de um bloco de vidro com um ângulo de incidência de aproximadamente 30 graus. Ao entrar no vidro, as partículas são refratadas de acordo com a lei de Snell e passam pelo meio em uma trajetória linear. Quando o segundo limite de vidro/ar é encontrado pelas partículas (na parte inferior do bloco), elas são novamente refratadas e se movimentam de volta para o espaço em um ângulo. O deslizador de Partículas/Ondas, localizado abaixo do bloco de vidro, pode ser utilizado para transformar o feixe de partículas em uma frente de onda planar. Antes de se tornar uma onda, as partículas se alinham em ondas.

Christiaan Huygens, com toda a sua intuição, havia sugerido em seu tratado de 1690 Traité de la Lumière que as ondas de luz percorrem pelo espaço mediadas pelo éter, uma substância mística sem peso, que existe como um entidade invisível em todo o ar e espaço. A busca pelo éter consumiu uma quantidade significativa de recursos durante o século XIX antes de finalmente ser abolida. A teoria do éter durou pelo menos até o final dos anos 1800, como evidenciado pelo modelo proposto por Charles Wheatstone, demonstrando que o éter carregava ondas de luz vibrando em um ângulo perpendicular à direção da propagação da luz, e os modelos detalhados de James Clerk Maxwell descrevendo a construção da substância invisível. Huygens acreditava que o éter vibrava na mesma direção que a luz e formava uma onda ao transportar as ondas de luz. Em um volume posterior, Princípio de Huygens, ele descreveu engenhosamente como cada ponto em uma onda poderia produzir suas próprias ondaletas, que então se juntam para formar uma frente de onda. Huygens utilizou essa ideia para produzir uma teoria detalhada para o fenômeno da refração e também para explicar por que os raios de luz não colidem uns com os outros quando se cruzam.

Quando um feixe de luz se movimenta entre dois meios com diferentes índices de refração, o feixe sofre refração e muda de direção quando passa do primeiro meio para o segundo. Para determinar se o feixe de luz é composto de ondas ou partículas, um modelo para cada um pode ser concebido para explicar o fenômeno (Figura 1). De acordo com a teoria das ondas de Huygens, uma pequena porção de cada frente de onda angular deve impactar o segundo meio antes que o resto da frente alcance a interface. Esta parte começará a se mover através do segundo meio enquanto o restante da onda ainda está viajando no primeiro meio, mas se moverá mais lentamente devido ao maior índice de refração do segundo meio. Como a frente de onda agora está se movimentando em duas velocidades diferentes, ela se curvará no segundo meio, alterando assim o ângulo de propagação. Em contraste, a teoria das partículas tem bastante dificuldade em explicar por que as partículas de luz devem mudar de direção quando passam de um meio para outro. Os proponentes da teoria sugerem que uma força especial, direcionada perpendicularmente à interface, atua para alterar a velocidade das partículas quando elas entram no segundo meio. A natureza exata dessa força foi deixada para especulação e nenhuma evidência foi coletada para provar a teoria.