O que é a luz?

Vale a pena, neste Ano Internacional da Luz, voltar a esta questão muito antiga. Ao longo da história, foram-lhe sendo dadas diferentes respostas. Para os atomistas gregos, a luz era, como aliás tudo o resto, constituída por partículas. No início do século XVIII, o físico inglês Isaac Newton recuperou esta teoria, uma vez que ela permitia explicar, entre outros fenómenos ópticos, a propagação rectilínea da luz, a reflexão (embate da luz na superfície de um espelho) e refracção (desvio da luz ao passar de um meio para outro).

Mas um outro físico, o holandês seu contemporâneo Christian Huyghens, conseguia explicar os mesmos fenómenos usando ondas. Apesar do enorme prestígio de Newton, foi a teoria ondulatória que acabou por prevalecer no século XIX: logo no início desse século, uma famosa experiência realizada pelo inglês Thomas Young, exibindo a interferência de luz que passa por duas fendas, só podia ser compreendida com a ajuda de ondas. Uma partícula nunca pode anular outra partícula, mas uma onda já pode anular outra onda. Assistiu-se então ao triunfo da teoria ondulatória, para a qual muito contribuiu uma memória de 1815 do francês Augustin-Jean Fresnel, sobre a difracção da luz (espalhamento quando sai de um pequeno orifício).

Mas, se a luz é uma onda, o que é que está a vibrar? Há 150 anos, o escocês James Clerk Maxwell, ao juntar, na mesma descrição matemática, a electricidade e o magnetismo, foi o primeiro a propor que a luz era uma onda que resultava da vibração do campo electromagnético. O que é esse campo? Para explicar a força eléctrica e a magnética à distância tinha-se introduzido a noção de campo. Existe um campo magnético associado ao campo eléctrico e a luz mais não é do que a propagação de uma perturbação periódica desses dois campos, conjunto a que chamamos campo electromagnético. A velocidade da luz foi calculada a partir de propriedades eléctricas e magnéticas. Apesar de essa velocidade ser constante, podiam existir ondas com comprimentos de onda muito diferentes. A luz visível corresponde a uma pequena “janela” no conjunto dos comprimentos de onda. Luz invisível, como a ultravioleta e a infravermelha, é tão luz como a luz visível, só diferindo desta por o comprimento de onda ser menor ou maior. Com a detecção instrumental de luz invisível, a onda parecia ter ganho à partícula!

Mas a luz reservava-nos surpresas. Em 1905 as partículas de luz voltaram quando o físico suíço Albert Einstein se viu obrigado a introduzir a noção de “pacote” de luz (fotão) para descrever o arranque de electrões de um metal por luz ultravioleta. Graças a Einstein Newton estava vingado… A energia do fotão dependia do comprimento de onda: havia fotões ultravioletas, infravermelhos, e, com uma energia intermédia, fotões azuis, verdes e vermelhos. Como conciliar a descrição ondulatória, que funciona bem em certas circunstâncias, e a descrição corpuscular, que funciona bem noutras? Uma estranha teoria – a teoria quântica – conseguiu fazê-lo, impondo-se como a moderna teoria da luz. A luz propaga-se no espaço como uma onda, mas pode ser produzida ou apanhada como partícula. Hoje em dia conseguimos emitir luz fotão a fotão, evidenciando o seu carácter corpuscular, mas, se colocarmos um obstáculo com duas fendas à frente dessa luz, verificaremos que ela passa pelas duas, como seria de esperar de uma onda. A experiência desafia o nosso senso comum. Mas quem diz que o mundo tem de estar de acordo com o nosso senso comum?

Carlos Fiolhais (Física da Universidade de Coimbra)