A luz é uma partícula ou uma onda?

A natureza exata da luz visível é um mistério que intriga os humanos há séculos, com muitos cientistas e filósofos se esforçando para responder à seguinte pergunta: a luz é uma partícula ou uma onda?

Cientistas gregos da antiga disciplina pitagórica postularam que todo objeto visível emite um fluxo constante de partículas, enquanto Aristóteles concluiu que a luz viaja de maneira semelhante às ondas do oceano. Ainda que essas ideias tenham sofrido muitas modificações e um grau significativo de evolução ao longo do tempo, a essência da disputa estabelecida pelos filósofos gregos continua até hoje.

Teoria da luz: partícula ou onda?

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.

Durante os últimos séculos, o consenso oscilou com uma visão prevalecendo por um intervalo de tempo, apenas para ser derrubada pela evidência da outra. Apenas durante as primeiras décadas do século XX foram coletadas evidências convincentes suficientes para fornecer uma resposta abrangente e, para surpresa de todos, ambas as teorias se mostraram corretas... pelo menos em parte.

No início do século XVIII, o argumento sobre a natureza da luz transformou a comunidade científica em campos divididos que lutavam vigorosamente pela validade de suas teorias favoritas. Um grupo de cientistas, que concordava com a teoria das ondas, centralizou seus argumentos nas descobertas do holandês Christiaan Huygens. O campo oposto citou os experimentos de prisma de Sir Isaac Newton como prova de que a luz se movimentava como uma chuva de partículas, cada uma procedendo em linha reta até ser refratada, absorvida, refletida, difratada ou perturbada de alguma outra maneira.

Embora o próprio Newton parecesse ter algumas dúvidas sobre sua teoria corpuscular sobre a natureza da luz, seu prestígio na comunidade científica tinha tanto peso que seus defensores ignoraram todas as outras evidências durante suas ferozes batalhas.

A teoria da refração da luz de Huygens, baseada no conceito da natureza ondulatória da luz, sustentava que a velocidade da luz em qualquer substância era inversamente proporcional ao seu índice de refração. Em outras palavras, Huygens postulou que quanto mais a luz fosse "curvada" ou refratada por uma substância, mais lentamente ela se movimentaria ao atravessar essa substância. Seus seguidores concluíram que, se a luz fosse composta de um fluxo de partículas, ocorreria o efeito oposto, porque a luz que entrasse em um meio mais denso seria atraída pelas moléculas do meio e experimentaria um aumento, em vez de uma diminuição, na velocidade.

Embora a solução perfeita para esse argumento fosse medir a velocidade da luz em diferentes substâncias, como ar e vidro, os dispositivos da época não estavam à altura da tarefa. A luz parecia se mover na mesma velocidade, independentemente do material pelo qual passava. Mais de 150 anos se passaram antes que a velocidade da luz pudesse ser medida com precisão suficiente para provar que a teoria de Huygens estava correta.

Apesar da reputação altamente reconhecida de Sir Isaac Newton, muitos cientistas proeminentes no início dos anos 1700 não concordavam com sua teoria corpuscular. Alguns argumentavam que, se a luz consistisse em partículas, quando dois feixes se cruzassem, algumas das partículas colidiriam umas com as outras para produzir um desvio nos feixes de luz. Obviamente, este não é o caso, então eles concluíram que a luz não deve ser composta de partículas individuais.

A teoria das ondas de luz

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 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 3).

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 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.

Outra excelente comparação das duas teorias envolve as diferenças que ocorrem quando a luz é refletida de uma superfície especular lisa, como um espelho. A teoria das ondas especula que uma fonte de luz emite ondas de luz que se espalham em todas as direções. Ao impactar um espelho, as ondas são refletidas de acordo com os ângulos de chegada, mas com cada onda virada de trás para frente para produzir uma imagem invertida (Figura 4). A forma das ondas que chegam depende fortemente de quão longe a fonte de luz está do espelho. A luz proveniente de uma fonte próxima ainda mantém uma frente de onda esférica altamente curvada, enquanto a luz emitida por uma fonte distante se espalhará mais e impactará o espelho com frentes de onda quase planares.

O caso de uma natureza de partícula para a luz é muito mais forte em relação ao fenômeno de reflexão do que o da refração. A luz emitida por uma fonte, próxima ou distante, chega à superfície do espelho como um fluxo de partículas, que são ricocheteadas ou refletidas na superfície lisa. Como as partículas são muito pequenas, um número enorme está envolvido em um feixe de luz que se propaga, onde movimentam-se lado a lado muito próximas umas das outras.

Ao impactar o espelho, as partículas ricocheteiam de pontos diferentes, de modo que sua ordem no feixe de luz é invertida na reflexão para produzir uma imagem invertida, conforme demonstrado na Figura 4. Ambas as teorias de partículas e de ondas explicam adequadamente a reflexão de uma superfície lisa. Entretanto, a teoria das partículas também sugere que, se a superfície for muito áspera, as partículas ricocheteiam em vários ângulos, espalhando a luz. Essa teoria se ajusta muito bem à observação experimental.

Partículas e ondas também devem se comportar de maneira diferente quando encontram a borda de um objeto e formam uma sombra (Figura 5). Newton foi rápido em apontar em seu livro de 1704 Opticks, que "a luz nunca é conhecida por seguir passagens tortas nem se curvar na sombra". Este conceito é consistente com a teoria das partículas, que propõe que as partículas de luz devem sempre movimentar-se em linhas retas. Se as partículas encontrarem a borda de uma barreira, elas projetarão uma sombra porque as partículas não bloqueadas pela barreira continuam em uma linha reta e não podem se espalhar por trás da borda. Em uma escala macroscópica, essa observação é quase correta, mas não concorda com os resultados obtidos em experimentos de difração de luz em uma escala muito menor.

Quando a luz passa por uma fenda estreita, o feixe se espalha e se torna mais largo do que o esperado. Esta observação fundamentalmente importante dá uma quantidade significativa de credibilidade à teoria das ondas de luz. Como ondas na água, as ondas de luz que encontram a borda de um objeto parecem se curvar em torno da borda e em sua sombra geométrica (uma região que não é iluminada diretamente pelo feixe de luz). Esse comportamento é análogo às ondas de água que envolvem a extremidade de uma jangada em vez de serem refletidas.

Quase cem anos depois que Newton e Huygens propuseram suas teorias, o físico inglês Thomas Young realizou um experimento que apoiou fortemente a natureza ondulatória da luz. Por acreditar que a luz era composta de ondas, Young raciocinou que algum tipo de interação ocorreria quando duas ondas de luz se encontrassem.

Para testar essa hipótese, ele usou uma tela contendo uma única fenda estreita para produzir um feixe de luz coerente (contendo ondas que se propagam em fase) da luz solar comum. Quando os raios do sol encontram a fenda, eles se espalham ou difratam para produzir uma única frente de onda. Se esta frente iluminar uma segunda tela com duas fendas estreitamente espaçadas, então duas fontes adicionais de luz coerente, perfeitamente sintonizadas uma com a outra, são produzidas (veja a Figura 6). A luz de cada fenda movimentando-se para um único ponto no meio do caminho entre as duas fendas deve chegar perfeitamente em sintonia.

As ondas resultantes devem reforçar umas às outras para produzir uma onda muito maior. Entretanto, se um ponto de cada lado do ponto central for considerado, a luz de uma fenda deve percorrer uma trajetória muito maior para alcançar um segundo ponto no lado oposto do ponto central. A luz da fenda mais próxima desse segundo ponto chegaria antes da luz da fenda distante, então as duas ondas estariam fora de sincronia uma com a outra e poderiam se anular para produzir escuridão.

Como ele suspeitava, Young descobriu que quando as ondas de luz do segundo conjunto de fendas são espalhadas (ou difratadas), elas se encontram e se sobrepõem. Em alguns casos, a sobreposição combina as duas ondas exatamente em sintonia. Em outros casos, as ondas de luz se combinaram ligeiramente ou completamente fora de sincronia umas com as outras.

Young descobriu que, quando as ondas se encontravam em sintonia, elas se somavam por meio de um processo chamado interferência construtiva. As ondas que se encontram fora de sincronia se anulam, um fenômeno conhecido como interferência destrutiva. Entre esses dois extremos, vários graus de interferência construtiva e destrutiva ocorrem para produzir ondas com um amplo espectro de amplitudes. Young pôde observar os efeitos da interferência em uma tela colocada a uma distância definida atrás das duas fendas. Após ser difratada, a luz recombinada por interferência produz uma série de franjas claras e escuras ao longo da tela.

Embora aparentemente importantes, as conclusões de Young não foram amplamente aceitas na época, principalmente por causa da crença avassaladora na teoria das partículas da luz. Além de suas observações sobre a interferência da luz, Young postulou que a luz de cores diferentes era composta por ondas de diferentes comprimentos, um conceito fundamental que é amplamente aceito hoje. Em contraste, os defensores da teoria das partículas imaginavam que várias cores eram derivadas de partículas que têm massas diferentes ou que se movimentam em velocidades diferentes.

O efeito de interferência não se restringe à luz. As ondas produzidas na superfície de uma piscina ou lagoa se espalharão em todas as direções e terão um comportamento idêntico. Onde duas ondas se encontram em sintonia, elas se somarão para formar uma onda maior por meio de interferência construtiva. Ondas em colisão que estão fora de sintonia se anulam por meio de interferência destrutiva e produzem uma superfície plana na água.

Ainda mais evidências de uma natureza ondulatória da luz foram descobertas quando o comportamento de um feixe de luz entre polarizadores cruzados foi cuidadosamente examinado (Figura 7). Os filtros polarizadores têm uma estrutura molecular única que permite a passagem apenas da luz com uma única orientação. Em outras palavras, um polarizador pode ser considerado um tipo especializado de veneziana molecular com pequenas fileiras de ripas orientadas em uma única direção dentro do material polarizador. Se um feixe de luz pode impactar um polarizador, apenas os raios de luz orientados paralelamente à direção de polarização podem passar pelo polarizador. Se um segundo polarizador estiver posicionado atrás do primeiro e orientado na mesma direção, a luz que passar pelo primeiro polarizador também passará pelo segundo.

Entretanto, se o segundo polarizador for virado em um ângulo pequeno, a quantidade de luz que passa será diminuída. Quando o segundo polarizador é virado de modo que a orientação seja perpendicular à do primeiro polarizador, nenhuma luz que passa pelo primeiro polarizador passará pelo segundo. Esse efeito é facilmente explicado com a teoria das ondas, mas nenhuma manipulação da teoria das partículas pode explicar como a luz é bloqueada pelo segundo polarizador. De fato, a teoria das partículas é inadequada para explicar a interferência e a difração (efeitos que mais tarde são considerados como manifestações do mesmo fenômeno).

Os efeitos observados com a luz polarizada foram fundamentais para o desenvolvimento do conceito de que a luz consiste em ondas transversais com componentes perpendiculares à direção de propagação. Cada um dos componentes transversais deve ter uma direção de orientação específica que permita que ele passe ou seja bloqueado por um polarizador. Apenas as ondas com componente transversal paralela ao filtro polarizador passarão e todas as outras serão bloqueadas.

Em meados dos anos 1800, os cientistas estavam cada vez mais convencidos do caráter ondulatório da luz, mas ainda restava uma questão dominante: o que é a luz exatamente? Ocorreu uma revolução quando foi descoberto pelo físico inglês James Clerk Maxwell que todas as formas de radiação eletromagnética representam um espectro contínuo e se movimentam através do vácuo na mesma velocidade: 186.000 milhas por segundo. A descoberta de Maxwell efetivamente foi o golpe mortal da teoria das partículas e, no início do século XX, parecia que as questões básicas da luz e da teoria óptica haviam finalmente sido respondidas.

Um grande golpe na teoria ondulatória da luz ocorreu nos bastidores no final da década de 1880, quando os cientistas descobriram que, sob certas condições, a luz poderia desalojar elétrons dos átomos de vários metais (Figura 8). Embora a princípio era apenas um fenômeno curioso e inexplicável, descobriu-se rapidamente que a luz ultravioleta poderia liberar átomos de elétrons em uma ampla variedade de metais para produzir uma carga elétrica positiva. O físico alemão Philipp Lenard se interessou por essas observações, que ele chamou de efeito fotoelétrico. Lenard usou um prisma para dividir a luz branca em suas cores componentes e, em seguida, focou seletivamente cada cor em uma placa de metal para expulsar os elétrons.

O que Lenard descobriu o confundiu e o surpreendeu ao mesmo tempo. Para um comprimento de onda específico de luz (azul, por exemplo), os elétrons produziram um potencial constante ou uma quantidade fixa de energia. Diminuir ou aumentar a quantidade de luz produziu um aumento ou diminuição correspondente no número de elétrons liberados, mas cada um ainda mantinha a mesma energia. Em outras palavras, os elétrons que escapam das suas ligações atômicas tinham energias que dependiam do comprimento de onda da luz, não da intensidade. Isso é contrário ao que seria esperado da teoria das ondas. Lenard também descobriu uma ligação entre comprimento de onda e energia: comprimentos de onda mais curtos produziram elétrons com maiores quantidades de energia.

A base para uma conexão entre luz e átomos foi lançada no início dos anos 1800, quando William Hyde Wollaston descobriu que o espectro do sol não era uma faixa contínua de luz, mas continha centenas de comprimentos de onda ausentes. Mais de 500 linhas estreitas correspondentes a comprimentos de onda ausentes foram mapeadas pelo físico alemão Joseph von Fraunhofer, que atribuiu letras às lacunas maiores. Posteriormente, descobriu-se que as lacunas eram produzidas pela absorção de comprimentos de onda específicos por átomos na camada externa do sol. Essas observações foram algumas das primeiras ligações entre átomos e luz, embora o impacto fundamental não tenha sido compreendido na época.
 

A teoria das partículas da luz

Em 1905, Albert Einstein postulou que a luz pode realmente ter algumas características de partícula, independentemente da evidência contundente de uma natureza ondulatória. Ao desenvolver sua teoria quântica, Einstein sugeriu matematicamente que os elétrons ligados aos átomos em um metal podem absorver uma quantidade específica de luz (inicialmente chamada de quântica, mas posteriormente alterada para um fóton) e assim ter a energia para escapar. Ele também especulou que se a energia de um fóton fosse inversamente proporcional ao comprimento de onda, comprimentos de onda mais curtos produziriam elétrons com energias mais altas, uma hipótese nascida dos resultados da pesquisa de Lenard.

A teoria de Einstein foi consolidada na década de 1920 pelos experimentos do físico americano Arthur H. Compton, que demonstrou que os fótons tinham impulso, requisito necessário para sustentar a teoria de que matéria e energia são intercambiáveis. Mais ou menos na mesma época, o cientista francês Louis-Victor de Broglie propôs que toda matéria e radiação têm propriedades que se assemelham tanto a uma partícula quanto a uma onda. De Broglie, seguindo o exemplo de Max Planck, extrapolou a famosa fórmula de Einstein relacionando massa e energia para incluir a constante de Planck:

E = mc2 = hν

Onde E é a energia de uma partícula, m é a massa, c é a velocidade da luz, h é a constante de Planck e ν é a frequência. A obra de De Broglie, que relaciona a frequência de uma onda com a energia e a massa de uma partícula, foi fundamental para o desenvolvimento de um novo campo que seria usado para explicar tanto a natureza ondulatória quanto a partícula da luz.
 

Dualidade da luz: partícula e onda

A mecânica quântica nasceu da pesquisa de Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger e outros que tentaram explicar como a radiação eletromagnética pode exibir o que agora é chamado de dualidade, ou o comportamento semelhante a partículas e ondas. Às vezes a luz se comporta como uma partícula e outras vezes como uma onda.

Esse papel complementar ou duplo da teoria e do comportamento da luz pode ser usado para descrever todas as características conhecidas que foram observadas experimentalmente, desde a refração, reflexão, interferência e difração até os resultados com luz polarizada e o efeito fotoelétrico. Combinadas, as propriedades da luz trabalham juntas e nos permitem observar a beleza do universo.