Luz - Ondas ou Partículas?

A controvérsia sobre a natureza da luz é uma das mais interessantes na história da ciência. As primeiras teorias consideravam a luz constituída por um feixe de partículas que emanavam da fonte luminosa e causavam a sensação de ver, ao atingirem os olhos. o proponente mais importante dessa teoria corpuscular foi Newton; utilizando-a, foi capaz de explicar as leis da reflexão e da refração.

A teoria das partículas explica, com facilidade, a lei da reflexão da luz por uma superfície plana. A figura 1 mostra uma partícula refletindo-se numa superfície plana e rígida. Não havendo atrito, a componente do momento da partícula, paralela à superfície, não se modifica na colisão, mas a componente perpendicular à superfície é invertida (admitindo que a massa da superfície de reflexão seja muito maior que a da partícula e que a colisão seja elástica). Então, o ângulo de reflexão é igual ao de incidência, conforme se observa quando a luz se reflete num espelho plano.

Teoria da Relatividade Restrita

Trata-se de um ponto de partida lógico, uma vez que tudo em física se encontra em última instância relacionado com medida e a relatividade envolve uma análise de como as medidas dependem tanto do observador como do observável. Da relatividade emerge uma nova mecânica na qual há estreitas relações entre espaço e tempo, massa e energia.

Sem tais relações seria impossível compreender o mundo microscópico dentro do átomo, cuja elucidação constitui o problema central da Física Moderna.

Relatividade do Tempo

Vamos supor que queiramos medir o intervalo de tempo gasto para ocorrer um fenômeno. Uma das conseqüências dos postulados de Einstein é que o valor desse intervalo de tempo vai depender do referencial em que está o observador. Se tivermos dois observadores situados em dois referenciais inerciais diferentes, um tendo velocidade constante em relação ao outro, os intervalos de tempo medidos por esses observadores serão diferentes. Para demonstrar isso, consideremos as situações abaixo.

Nas figuras 7 e 8 representamos um trem que se move com velocidade constante V em relação ao solo. Dentro do vagão há um observador O', fixo em relação ao vagão, e fora dele há um observador O, fixo em relação ao solo.

O observador O' (fig. 7) aciona uma fonte de luz que emite um pulso para cima. Esse pulso é refletido por um espelho e volta para a fonte. Para o observador O', na ida e na volta o pulso de luz gasta um intervalo de tempo Dt' dado por:

2d' = c . ( Dt' )

Equação I

em que c é a velocidade da luz.

Na figura 8 representamos o trajeto da luz como é visto pelo observador O, o qual mede um tempo Dt para o percurso da luz. Nesse intervalo de tempo, para o observador O o deslocamento do trem foi igual a V.(Dt) enquanto o deslocamento da luz (fig. 9) foi:

2d = c . ( Dt )

Equação II

pois a velocidade da luz é a mesma (c) para os dois observadores.

Das equações I e II, obtemos:

2d' = c. ( Dt ) ® Dt' = 2d' / c

2d = c. ( Dt ) ® Dt = 2d / c

Como d' <>

Daí podemos concluir que um relógio que está em um referencial que se move em relação a nós "anda" mais devagar do que nosso relógio.

Essa relação vale para todos os processos físicos, incluindo reações químicas e processos biológicos.

O intervalo de tempo Dt', em que os dois eventos (emissão e recepção de luz) ocorrem no mesmo local, é chamado de tempo próprio. Para qualquer outro referencial inercial o intervalo de tempo (Dt) é maior do que o tempo real.

Vamos agora encontrar uma equação que relacione Dt com Dt'. Aplicando o teorema de Pitágoras ao triângulo retângulo sombreado na figura 9, temos:

Evidências da dilatação temporal

Uma das primeiras evidências da dilatação temporal foi obtida por meio de experimentos com uma partícula chamada múon. Quando fazemos experimentos no laboratório com múons em repouso, observamos que eles se desintegram com uma vida média de 2,2 . l0-6 s. Muitos múons são criados na alta atmosfera, como resultado do bombardeio dos raios cósmicos. Esses múons movem-se com velocidade próxima da luz:

v = 2,994 .108 m/s

Portanto, entre o momento em que são criados e o momento em que se desintegram, deveriam percorrer, em média, uma distância de:

d = v . ( Dt )

d = ( 2,994 . 108 m / s ) . (2,2 . 10-6 s)

d = 650 m

No entanto, a experiência mostra que múons criados a quase l0 km de altitude são detectados na superfície da Terra. Isso acontece por causa da dilatação temporal. Para um referencial fixo no múon, o tempo de desintegração é:

Dt' = 2,2 . 10-6 s

Para um referencial fixo na Terra, temos:

Como:

Assim:

Portanto:

Assim, para um observador na Terra, a distância percorrida pelo múon antes de desintegrar-se é:

D = v . ( Dt )

D = ( 2,994 . 108 m / s ) . (35 . 10-6 s)

D = 10.000 m

Outro tipo de teste, consistiu em comparar relógios atômicos, que marcam intervalos de tempo muito pequenos. Um foi mantido no solo, enquanto outro foi colocado em um avião que percorreu uma grande distância a uma grande velocidade em relação à Terra. Terminado o vôo, os relógios foram comparados e constatou-se que o relógio do avião estava ligeiramente atrasado em relação ao relógio que foi mantido no solo.

Teoria da Relatividade

A teoria da relatividade foi desenvolvida no início do século XX, que, originalmente, pretendia explicar certas anomalias no conceito do movimento relativo, mas, em sua evolução, converteu-se em uma das teorias básicas mais importantes das ciências físicas. Desenvolvida fundamentalmente por Albert Einstein, foi a base para que os físicos demonstrassem, posteriormente, a unidade essencial da matéria e da energia, do espaço e do tempo, e a equivalência entre as forças degravitação e os efeitos da aceleração de um sistema.

Em 1905, Einstein publicou seu artigo sobre a teoria da relatividade especial, segundo o qual nenhum objeto do Universo se distingue por proporcionar um marco de referência absoluto em repouso. É igualmente correto afirmar que o trem se desloca em relação à estação e que a estação se desloca em relação ao trem. A hipótese fundamental em que se baseava era a inexistência do repouso absoluto no Universo, razão pela qual toda partícula ou objeto deve ser descrito mediante uma chamada linha de Universo, que traça sua posição em um contínuo espaço-tempo de quatro dimensões (três espaciais e uma temporal), na qual têm lugar todos os fatos do Universo.

Também deduz que o comprimento, a massa e o tempo de um objeto variam com sua velocidade. Assim, a energia cinética do elétron acelerado converte-se em massa, de acordo com a fórmula E=mc2. Em 1915, desenvolveu sua teoria da relatividade geral, na qual considerava objetos que se movem de forma acelerada um em relação ao outro, para explicar contradições aparentes entre as leis da relatividade e a lei da gravitação. A teoria da relatividade especial afirma que uma pessoa, dentro de um veículo fechado, não pode determinar, por meio de nenhum experimento imaginável, se está em repouso ou em movimento uniforme. A da relatividade geral afirma que, se esse veículo é acelerado ou freado, ou se faz uma curva, o seu ocupante não pode assegurar se as forças produzidas se devem à gravidade ou a outras forças de aceleração. Simplesmente, a lei da gravidade de Einstein afirma que a linha de Universo de todo objeto é uma geodésica em um contínuo (uma geodésica é a distância mais curta entre dois pontos, ainda que o espaço curvo não seja, normalmente, uma linha reta; como ocorre com as geodésicas na superfície terrestre, são círculos máximos, mas não linhas retas). A linha de Universo é curva devido à curvatura do contínuo espaço-tempo na proximidade da Terra e a isso se deve a gravidade.

A teoria da relatividade geral foi confirmada de numerosas formas desde sua proposição. Vários cientistas têm tratado de unir a teoria da força gravitacional relativista com o eletromagnetismo e com outras forças fundamentais da física: as interações nucleares forte e fraca (ver Teoria do campo unificado). Em 1928, Paul Dirac expôs uma teoria relativista do elétron. Mais tarde, desenvolveu-se uma teoria de campo quântica chamada eletrodinâmica quântica, que unificava os conceitos da relatividade e a teoria quântica, no que diz respeito à interação entre os elétrons, os pósitrons e a radiação eletromagnética. Nos últimos anos,Stephen Hawking tem se dedicado a tentar integrar por completo a mecânica quântica com a teoria da relatividade.