A partícula fundamental de luz é comum e cheia de surpresas

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O que os físicos chamam de fótons, outras pessoas podem chamar apenas de luz. Como quanta de luz, os fótons são os menores pacotes possíveis de energia eletromagnética. Se você está lendo este artigo em uma tela ou página, fluxos de fótons estão levando as imagens das palavras aos seus olhos. 

Na ciência, os fótons são usados para mais do que apenas iluminação.

“Eles são onipresentes”, diz Richard Ruiz, pesquisador associado do Instituto de Física Nuclear de Cracóvia, Polônia, e teórico em busca de novas físicas no Grande Colisor de Hádrons. “Os fótons estão por toda parte na física de partículas, então você quase esquece deles.”

O fóton alimentou séculos de descobertas e continua sendo uma ferramenta importante hoje.

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Da onda, para a partícula, para Bóson

As pessoas investigaram a natureza da luz desde os tempos antigos, com os primeiros insights vindos de filósofos e estudiosos do Egito, Mesopotâmia, Índia e Grécia. Entre o final do século 17 e o início do século 20, os cientistas voltaram e voltaram na resposta a uma pergunta em particular: a luz se comporta como uma partícula ou como uma onda?

Em 1690, Christiaan Huygens publicou Traité de la Lumière, seu tratado sobre a luz. Nele, ele descreveu a luz como sendo composta de ondas que se moviam através do éter, que se pensava permear o espaço. 

Isaac Newton declarou em seu livro Opticks de 1704 que discordava. Quando a luz reflete em uma superfície, ela age como uma bola quicando; o ângulo em que se aproxima da superfície é igual ao ângulo em que rebate. Newton argumentou que esse fenômeno, entre outras coisas, poderia ser explicado se a luz fosse composta de partículas, que ele chamou de "corpúsculos". 

Um prisma de vidro refrata um feixe de luz branca em um arco-íris de cores. Newton notou que, quando a luz foi refratada novamente, por meio de um segundo prisma, ela não se dividiu mais; as cores do arco-íris permaneceram as mesmas. 

Newton disse que isso poderia ser explicado assumindo que a luz branca era composta de muitos corpúsculos diferentes de tamanhos diferentes. A luz vermelha era composta pelos maiores corpúsculos; o violeta era feito do menor. Newton disse que seus tamanhos diferentes fazem com que os corpúsculos sejam puxados através do vidro em velocidades diferentes e aceleradas. Isso os espalhou, produzindo o arco-íris de cores que não poderia ser mais dividido por um segundo prisma.

O modelo corpuscular de Newton tinha uma desvantagem significativa. 

Quando a luz viaja por um pequeno orifício, ela se espalha como ondas na água. O modelo corpuscular de Newton não poderia explicar esse comportamento, e o modelo de onda de Huygens poderia.

Ainda assim, os cientistas geralmente estavam inclinados a dispensar Huygens e ouvir Newton - ele escreveu Principia, um dos livros mais importantes da história da ciência, afinal. 

Mas o modelo de Huygens recebeu algum apoio em 1801, quando Thomas Young conduziu o experimento de dupla fenda. No experimento, Young enviou um feixe de luz por dois pequenos orifícios, lado a lado, e descobriu que a luz que passava por eles formava um padrão específico. Em intervalos regulares, as ondulações que se cruzam e emanam dos dois buracos interferem de forma construtiva, combinando-se para tornar a luz mais brilhante, ou destrutivamente, cancelando-se mutuamente. Assim como as ondas.

Cerca de cinco décadas depois, outro experimento colocou o modelo de Huygens definitivamente na liderança. 

Em 1850, Léon Foucalt comparou a velocidade da luz no ar com a velocidade da luz na água e descobriu que, ao contrário das afirmações de Newton, a luz não se movia mais rápido no meio mais denso. Em vez disso, assim como faria uma onda, ela diminuiu a velocidade.

Onze anos depois, James Clerk Maxwell publicou On Physical Lines of Force, no qual previu a existência de ondas eletromagnéticas. Maxwell notou sua semelhança com ondas de luz, levando-o a concluir que os dois eram o mesmo. 

Parecia que o modelo de ondas de Huygens havia vencido. Mas em 1900, Max Planck teve uma ideia que iria desencadear um novo conceito de luz. 

Planck explicou alguns comportamentos intrigantes da radiação, descrevendo a energia das ondas eletromagnéticas divididas em pacotes individuais. Em 1905, Albert Einstein desenvolveu o conceito de Planck de pacotes de energia e finalmente resolveu o debate corpúsculo versus onda, declarando empate. 

Como Einstein explicou, a luz se comporta tanto como uma partícula quanto como uma onda, com a energia de cada partícula de luz correspondendo à frequência da onda. 

Suas evidências vieram de estudos do efeito fotoelétrico - a maneira como a luz soltava os elétrons do metal. Se a luz viajasse apenas em uma onda contínua, brilhar uma luz sobre o metal por tempo suficiente sempre desalojaria um elétron, porque a energia que a luz transferida para o elétron se acumularia com o tempo. 

Mas o efeito fotoelétrico não funcionou dessa forma. Em 1902, Philipp Lenard observou que apenas a luz acima de uma certa energia, ou ondas de luz acima de uma certa frequência, poderia arrancar um elétron do metal. E pareceu fazê-lo imediatamente. 

Nesse caso, a luz estava agindo mais como uma partícula, um pacote individual de energia. 

Ainda convencido do modelo de onda de luz, Robert Millikan começou a refutar a hipótese de Einstein. Millikan fez medições cuidadosas da relação entre a luz e os elétrons envolvidos no efeito fotoelétrico. Para sua surpresa, ele confirmou cada uma das previsões de Einstein. 

O estudo sobre as previsões de Einstein do efeito fotoelétrico rendeu-lhe seu único Prêmio Nobel em 1921.

Em 1923, Arthur Compton forneceu suporte adicional para o modelo de luz de Einstein. Compton apontou luz de alta energia para os materiais e previu com sucesso os ângulos em que os elétrons liberados pelas colisões se espalhariam. Ele fez isso presumindo que a luz agiria como pequenas bolas de bilhar. 

O químico Gilbert Lewis deu um nome para essas bolas de bilhar. Em uma carta de 1926 ao jornal Nature, ele os chamou de "fótons". 

A maneira como os cientistas pensam sobre os fótons continuou a evoluir nos anos mais recentes. Por um lado, o fóton agora é conhecido como um "bóson de calibre". 

Os bósons de calibre são partículas portadoras de força que permitem que as partículas de matéria interajam por meio das forças fundamentais. Os átomos, por exemplo, se unem porque os prótons carregados positivamente em seus núcleos trocam fótons com os elétrons carregados negativamente que os orbitam, uma interação por meio da força eletromagnética.

Em segundo lugar, o fóton é agora pensado como uma partícula, uma onda e uma excitação, como uma espécie de onda, em um campo quântico. 

Um campo quântico, como o campo eletromagnético, é um tipo de energia e potencial espalhado por todo o espaço. Os físicos pensam em cada partícula como uma excitação de um campo quântico. 

“Gosto de pensar em um campo quântico como uma superfície calma de um lago onde você não vê nada”, diz Ruiz. “Aí você coloca uma pedra na superfície e a água salta um pouco. Isso é uma partícula.”

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Fótons como ferramenta

Ondas de rádio e micro-ondas; luz infravermelha e ultravioleta; Raios X e raios gama: todos são luz e todos são compostos de fótons. 

Os fótons estão trabalhando ao seu redor. Eles viajam através de fibras conectadas para fornecer sinais de internet, cabo e telefone celular. Eles são usados na reciclagem de plásticos, para quebrar objetos em pequenos blocos de construção que podem ser usados em novos materiais. Eles são usados em hospitais, em feixes que visam e destroem tecidos cancerígenos. 

E eles são essenciais para todos os tipos de pesquisa científica.

Os fótons são essenciais na cosmologia: o estudo do passado, presente e futuro do universo. Os cientistas estudam as estrelas examinando a radiação eletromagnética que elas emitem, como ondas de rádio e luz visível. Os astrônomos desenvolvem mapas de nossa galáxia e de seus vizinhos, criando imagens do céu em micro-ondas. Eles detectam poeira espacial que bloqueia sua visão de estrelas distantes, detectando sua luz infravermelha. 

Os cientistas coletam sinais fortes, na forma de radiação ultravioleta, raios X e raios gama emitidos por objetos energéticos de nossa galáxia e além. E eles detectam sinais fracos, como o padrão fraco de luz conhecido como fundo de micro-ondas cósmico, que serve como um registro do estado do universo segundos após o Big Bang.

Os fótons também continuam importantes na física. 

Em 2012, os cientistas do Large Hadron Collider descobriram o bóson de Higgs estudando sua decadência em pares de fótons. 

A física Donna Strickland ganhou uma parte do Prêmio Nobel de Física em 2018 por seu trabalho no desenvolvimento de pulsos de laser ultracurtos e de alta intensidade, formados a partir de luz de alta energia altamente focada.

Máquinas chamadas fontes de luz criam feixes intensos de raios X, luz ultravioleta e luz infravermelha para ajudar os cientistas a quebrar as etapas dos processos químicos mais rápidos e examinar os materiais em detalhes moleculares. 

“Em todo o espectro eletromagnético, os fótons podem nos fornecer muitas informações sobre o mundo”, diz Jennifer Dionne, professora associada de ciência dos materiais e engenharia da Universidade de Stanford.

Dionne conduz pesquisas no campo da nanofotônica, um subcampo da física em que os cientistas controlam a luz e estudam suas interações com moléculas e estruturas nanométricas. Entre outros projetos, seu laboratório usa fótons para aumentar a eficácia dos catalisadores, substâncias usadas para iniciar reações químicas de alta eficiência.

“A luz - os fótons - são um reagente da química no qual as pessoas nem sempre pensam”, diz Dionne. “As pessoas costumam pensar em adicionar novos produtos químicos para permitir uma determinada reação ou controlar a temperatura ou o pH de uma solução. A luz pode trazer uma dimensão totalmente nova e um kit de ferramentas totalmente novo.”

Alguns físicos estão até procurando novos tipos de fótons. Os “fótons escuros” teóricos serviriam como um novo tipo de bósons de calibre, mediando as interações entre as partículas de matéria escura.

“Os fótons estão sempre cheios de surpresas”, diz Dionne.

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Referência:

SOLLIDAY e JEPSEN. What is a photon? Symmetry Magazine, 29, jun. 2021. Disponível em: <https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-a-photon>. Acesso em: 20, out. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.