História da ótica

Desde os tempos mais remotos, a ótica tem despertado interesse na humanidade e começamos com a questão mais fundamental: o que é a luz? Há muito os homens tentam responder essa pergunta, a começar pelos gregos, que acreditavam que os seres vivos têm uma tênue chama dentro dos olhos. Não demorou muito para essa ideia parecer absurda, então Aristóteles sugeriu que  não seria nem fogo, nem algo material, mas sim um estado do meio, de modo que a luz sai dos corpos e precisa de um meio para se propagar. Essa teoria foi evoluindo de modo que não havia mais a ideia de “fogo visual”, mas sim pequenas perturbações no meio que são detectadas pelo olho. Foi então com Euclides que a ideia de raio e ângulo foi introduzida; era necessário explicar como objetos muito maiores que o olho eram introduzidos nele.

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Experimento de ótica feito por Newton

Na Idade Média, Kepler introduz uma nova definição para a luz: emanação não material e divina. Entretanto, com o início do pensamento moderno, o mundo passou a ser visto com os olhos da razão, de modo que os pensadores abraçam as ideias de Kepler, porém abandonam sua parte “divina”. No século XVIII, pensadores como Newton e Copérnico passaram a explicar o fenômeno óptico através da associação ao modelo mecânico, que aflorara nesse período. Segundo Descartes, a luz é “perturbação transmitida por meio mecânico”.

Robert Boyle, cientista considerado experimentalista, foi o responsável por deixar a divisão entre dois conceitos muito importantes para a física bem clara: o fato e o modelo. O fato se define pela observação da natureza, pelo fenômeno em si, enquanto que o modelo vem depois do experimento, de modo a tentar explicar o fenômeno. Esses dois conceitos devem ser bem separados, pois assim o desenvolvimento da ciência se dá de forma mais rápida, já que, se o modelo estiver errado, pode-se partir novamente direto do fato, que não muda, e não desde o princípio. Gaston Pardies, introdutor do conceito de vibração, baseou-se no experimento de Boyle da bomba de vácuo e concluiu que como o som não se propaga no vácuo, logo a luz também precisa de meio para se propagar, sendo considerado o éter esse meio.

Durante o século XVII, Huygens, principal defensor do modelo ondulatório, acreditava que a luz era uma onda que se propaga através de um meio, o éter, pensamento oposto de Newton, que era defensor do modelo corpuscular, no qual a luz seria composta de partículas, conforme a publicação de sua obra “Óptica”, em 1704.

Com o século IXX, o modelo ondulatório ascendeu enquanto que o corpuscular declinou, por conta da detecção dos fenômenos de interferência e difração, característicos das ondas, na luz, de modo a concluir que esta só poderia ser onda. Ainda no século IXX, um grande passo na história da ótica é dado por Maxwell. Agora, ótica e eletromagnetismo não são mais duas áreas distintas do campo da física, mas sim a mesma. Maxwell provou na teoria que a luz é uma onda eletromagnética e possui velocidade de propagação definida. Essa velocidade foi medida experimentalmente por Hertz, que comprovou que a teoria de Maxwell estava certa. A ideia de o éter ser o meio de propagação da luz nunca foi constatada, de modo a ter sido abandonada.

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Decomposição da luz por um prisma pelo fenômeno de dispersão

Entretanto, com o caminhar da ciência, foram aparecendo problemas que a ótica ondulatória não consegue explicar. Agora, segundo Einstein, a luz não precisa de meio para se propagar e está relacionada a uma quantidade finita. É introduzido então o conceito de fóton, a quantização de energia. Com o modelo ondulatório, tínhamos uma absorção de energia linear: o elétron absorvia o quanto achasse necessário. Agora, no século XX, a absorção de energia é diferente: o elétron a absorve em pacotes, não mais uma quantidade arbitrária, mas sim um valor definido de energia.

Heisenberg se perguntou sobre como a luz podia se comportar de dois modos diferentes, ora como partícula, ora como onda, simultaneamente e vemos aqui um fim para o conceito dual da luz: nem onda, nem partícula, mas uma excitação quantizada dos modos normais do campo eletromagnético, ou seja, uma propagação de “nível energético”, energia.

Há muita coisa para se descobrir ainda a respeito da natureza da luz, toda a evolução desse conceito que vimos até então não passa da ponta do iceberg. Entretanto, como pudemos observar através da história, o progresso da ciência não para, de modo que ainda veremos a natureza física da ótica ser explicada de forma diferente e cada vez mais clara.

Por que uma carga em movimento irradia onda eletromagnética?

É sabido que uma carga em repouso gera um campo elétrico estático. Quando essa carga é acelerada, o campo elétrico gerado será variável. As linhas de força do vetor campo elétrico sofrem deformação com o movimento da carga; uma dobra nessas linhas gera uma deformação em forma de bolha esférica sendo inflada que afasta-se na velocidade da luz. O volume dessa bolha está todo preenchido pelo campo magnético. A energia eletromagnética se propaga de modo que os dois campos, magnético e elétrico, são ortogonais entre si, ou seja, seu vetor poynting não é nulo.

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Deformação nas linhas de campo elétrico em forma de bolha

O vetor poynting é uma grandeza vetorial que descreve o módulo, direção e sentido do fluxo de energia transportado por ondas eletromagnéticas e consequentemente, direção e sentido da propagação da onda, dado por S = (1/µ0)ExB. Este é normal a superfície da bolha e aponta para fora, o que garante que a bolha esteja em expansão. A região de fora da bolha ainda não sofreu nenhuma perturbação por conta do movimento da carga e as linhas do campo elétrico ali permanecem como inicialmente, antes da carga ser movimentada. Ou seja, não existe campo magnético nessa região ainda, de modo que o vetor poynting é nulo.

O campo elétrico variável gerado pela aceleração da carga produz por sua vez um campo magnético variável. O campo magnético variável gera um campo elétrico variável, conforme as equações de Maxwell. Essa sucessão de campos elétricos e magnéticos se alimentam mutuamente e essa perturbação eletromagnética com comportamento ondulatório se propaga pelo espaço de forma autônoma e independente da fonte que o criou, sem precisar de meio material para se propagar.