5 Coisas que Todo o Homem Deve Saber Sobre a Luz
2015 é o Ano Internacional da Luz (mas o ano universal da luz é em 2533). Eu acho que todos nós podemos concordar que a luz é muito importante em praticamente todos os aspectos de nossas vidas. Mas quais são as coisas chave que todo ser humano deve saber sobre ela? Ok, eu vou dar um passe para os humanos com menos de 7 anos. As crianças mais novas provavelmente sabem muitas coisas sobre a luz (já que eles a usam o tempo todo) – mas não vamos nos preocupar com eles por enquanto. Então, se você tem mais de 7 anos, preste atenção.
Light Is a Wave
O que é uma onda? Vamos começar com um exemplo. Atire uma pedra para uma poça e você verá algo assim:
A pedra faz uma perturbação na água (uma ondulação). Esta perturbação move-se radialmente para fora de onde a rocha bate. É a perturbação que se move para fora, não as moléculas da água – elas apenas se movem para cima e para baixo. Você pode fazer algo semelhante com um comprimento de corda. Coloque-o no chão e continue a agitar uma ponta. A perturbação desce o cordel (um cordel pesado funciona melhor).
Vejamos o caso de uma onda que desce um cordel. Há 4 propriedades que você poderia considerar:
Estas 4 propriedades são:
- Amplitude: este é o tamanho do deslocamento para a perturbação. As unidades de amplitude dependem do tipo de onda. Para uma corda, as unidades seriam metros.
- Velocidade da onda: se você fosse observar um deslocamento, ele estaria em movimento. A velocidade da onda é a velocidade (que parece redundante). A unidade para velocidade de onda é metros por segundo.
- Comprimento de onda: esta é a distância de uma perturbação à próxima medida em metros
- Frequência: se você fosse contar quantas ondas passavam um ponto estacionário em cada segundo, essa seria a frequência (em ciclos por segundo ou Hertz).
As três últimas propriedades estão relacionadas. A velocidade da onda é igual ao produto do comprimento de onda e da frequência.
Então, a luz é uma onda. Isto significa que ela tem todas as propriedades acima e pode fazer coisas ondulatórias como:
- Expandir e irradiar em todas as direções (como uma lâmpada ou as ondas na água causadas por uma rocha).
- Interferir com outras ondas.
- Dobrar nos cantos (sim, a luz faz isto – mas é difícil de ver).
- Transportar energia e momentum.
- Interagir com a matéria.
A luz faz todas estas coisas.
A luz é uma Onda Electromagnética
Pode fazer a sua própria onda. Pegue uma longa extensão e estique-a no chão. Agora dê um abanão vertical a uma extremidade. Você deve conseguir algo assim (este gif está em câmera lenta):
Agora tire a extensão e repita a demonstração. Sim, nada acontece. Se você não tem um meio para uma onda entrar, não há nenhuma onda. Mas e a luz? A luz é uma onda, certo? Sim, de facto (como descrevi acima). Então, como é que a luz viaja pelo espaço vazio à medida que vai do Sol para a Terra? Qual é o meio para uma onda de luz?
Afinal existem duas coisas importantes sobre campos eléctricos e magnéticos. Primeiro, aqui está um fio que transporta corrente eléctrica sobre uma bússola magnética. A corrente elétrica faz um campo magnético que faz a agulha da bússola girar.
Mas você não precisa nem mesmo de uma corrente elétrica para fazer campos magnéticos. Acontece que um campo eléctrico em mudança também fará um campo magnético. Aqui está uma bobina de fio ligada a uma lâmpada (sem bateria). Quando é colocado sobre este campo magnético em mudança, é criado o campo elétrico em mudança que conduz uma corrente.
Então temos um campo elétrico em mudança que cria um campo magnético e um campo magnético em mudança cria um campo elétrico. Junte estas duas idéias e você pode fazer duas ondas (e uma onda de campo elétrico e uma onda de campo magnético) que ambas fazem a outra se propagar. As ondas eletromagnéticas não precisam de um meio porque, de certa forma, são o seu próprio meio.
Comprimento de onda diferente da luz interage diferentemente com a matéria
Primeiro, existe o espectro eletromagnético. Você pode fazer uma onda eletromagnética de todos os comprimentos de onda diferentes – desde maiores de 1 metro (ondas de rádio) até menos de 10 picômetros (raios gama – mas ainda são ondas). Aqui está a classificação comum do espectro eletromagnético indo de grandes comprimentos de onda a pequenos.
- Radio
- Microondas
- Infrared
- Luz visível
- Ultravioleta
- X-raios (mas são ondas)
- Raios Gama
Todos eles são ondas electromagnéticas e todos eles viajam à mesma velocidade (a velocidade da luz). No entanto, elas têm diferentes interações com a matéria. Se você estiver dentro, seu celular ainda pode obter dados de uma torre de celular, uma vez que essas ondas de rádio passam pela maioria das paredes. Você consegue ver através das paredes? Não. A luz visível não passa através da maioria das paredes. Os raios X passam principalmente pela sua pele, mas você não consegue ver (com luz visível) através da pele – isso seria apenas estranho.
Tecnicamente a interação com a luz e a matéria depende da freqüência da luz – mas como a freqüência e o comprimento de onda estão relacionados, podemos apenas falar sobre o comprimento de onda.
Você vê as coisas quando a luz entra no seu olho
Ok, não se trata apenas de luz, mas também de como os humanos trabalham.
Existem duas formas de a luz entrar no seu olho. Primeiro, pode haver uma fonte de luz (como uma lâmpada) que cria luz. Esta luz então viaja para o seu olho e BOOM – o seu cérebro interpreta este sinal como luz. A outra maneira (mais comum) é ver as coisas pela luz refletida. Suponha que você esteja olhando para um lápis. A luz (de algum lugar) reflete do lápis e depois para o seu olho.
Mas o que acontece se não houver luz que entre no seu olho? E se você estiver em um lugar sem absolutamente nenhuma fonte de luz? Nesse caso, você percebe a cor preta. Na verdade, esta pode ser uma pergunta divertida. Pergunte a alguém isto:
Você já esteve em algum lugar com absolutamente nenhuma luz? (a maioria das pessoas não) Se você está em uma sala que é completamente escura, o que você veria? O que acontece depois de esperar muito, muito tempo?
Uma das respostas muito comuns é que você verá tudo como preto – no início. Estes humanos também dirão que após algum tempo seus olhos se ajustarão e então você VERÁ algo. A resposta correta é que você apenas verá preto – para sempre. Se não houver luz a entrar no seu olho, então você apenas verá preto. A idéia comum é baseada em uma experiência comum. Normalmente se você está em uma sala escura seus olhos realmente se ajustam. Contudo, isto só funciona em salas com um pouco de luz – e há quase sempre pelo menos um pouco de luz.
Todos os objectos produzem luz
Talvez eu deva dizer que todos os objectos criam ondas electromagnéticas – eles criam. Vejamos um exemplo da sua casa. Vá para a sua cozinha e ligue o fogão alto (assumindo que você tenha um fogão elétrico). Agora basta observá-lo enquanto ele fica mais quente (mas não toque nele).
Eventualmente, o elemento do fogão ficará tão quente que brilhará uma cor avermelhada baixa (vermelho quente). Mas na verdade, o elemento estava produzindo luz o tempo todo. É que em temperaturas mais baixas a luz eletromagnética está em um comprimento de onda que você não pode ver – está no espectro infravermelho.
A maior parte das coisas que você vê ao seu redor emite radiação EM (eletromagnética) no espectro infravermelho – então você não pode vê-la. Bem, na verdade você pode vê-la indiretamente se você tiver uma câmera infravermelha incrível (para o seu telefone). Estas câmaras térmicas dectectam a luz infravermelha e criam uma falsa imagem a cores que os humanos podem ver. Na maioria das vezes, cores diferentes na imagem infravermelha correspondem a temperaturas diferentes dos objetos.
Aqui está um exemplo. Este é o meu cão num chão liso. Note que seus olhos e nariz são mais quentes que outras partes do seu corpo. Observe também que você pode ver seu reflexo infravermelho no chão.
Rhett Allain
Mas isto funciona para objetos mais quentes que o seu elemento de fogão? Sim. Como um objeto fica ainda mais quente, ele cria luz com comprimentos de onda cada vez mais curtos. Eventualmente o objeto ficaria branco à medida que mais luz de comprimento de onda mais curto é produzida. Sim, ele poderia até criar luz ultravioleta a temperaturas ainda mais altas.
Ok, essas são as cinco coisas que todos devem saber sobre a luz.