Uma lição de 200 anos: previsões científicas são inúteis a menos que sejam testadas
Um experimento de laser de mesa é uma consequência moderna da tecnologia que permitiu provar o absurdo: que a luz não se comportava como uma partícula. Crédito da imagem: CAU, Rowher et al.
Sua teoria prevê algo novo? Que legal. Mas ninguém vai prestar atenção em você a menos que você teste.
Aquele que ama a prática sem teoria é como o marinheiro que embarca no navio sem leme e bússola e nunca sabe para onde pode lançar.
– Leonardo da Vinci
Nossas melhores teorias científicas do dia – de qualquer dia, na verdade – são tão úteis quanto os fenômenos que elas preveem. Temos confiança de que o Sol nascerá e se porá não apenas porque sempre foi assim, mas porque as leis da física, comprovadas e validadas ao longo dos séculos, ditam que esse comportamento deve continuar sob essas leis. Mas, às vezes, as previsões que uma teoria faz são manifestamente absurdas. Isso significa que a teoria está errada? Às vezes, mas nem sempre. Veja, às vezes é nossa intuição que está errada. Às vezes, a natureza é realmente absurda. A única maneira de decidir? Para fazer o experimento e testar a teoria por nós mesmos.
O esboço de Newton do Cometa Halley, como ele desenhou e publicou em seu Principia Mathematica. Crédito da imagem: Isaac Newton / Principia Mathematica.
Imagine-se de volta à história, cem anos depois de Isaac Newton. Seus tratados sobre uma variedade de tópicos – matemática, astronomia, gravitação, mecânica e ótica – foram verificados melhor do que qualquer outra disciplina científica da história até aquele momento.
Muitos desses campos também foram desenvolvidos, e descobriu-se que as teorias de Newton não apenas serviam como uma base sólida para cada um desses campos, mas que muitas vezes forneciam insights profundos sobre o funcionamento fundamental do Universo quando aplicados a novos fenômenos. . Isso foi verdade para praticamente todas as áreas mencionadas, mas com uma exceção: o comportamento da luz.
O comportamento da luz branca ao passar por um prisma demonstra uma natureza aparentemente semelhante a um raio, em concordância com a descrição de Newton. Crédito da imagem: Universidade de Iowa.
Newton insistia que a luz se comportava como um raio, refratando, difratando e refletindo de acordo com as leis que ele estabeleceu em seu importante livro: Óptica . Através deste trabalho, ele foi capaz de explicar toda uma série de fenômenos, incluindo o comportamento das cores, todos verificáveis por meio de experimentos. De fato, a primeira frase de seu livro começou assim:
Meu desígnio neste livro não é explicar as propriedades da luz por hipóteses, mas propô-las e prová-las pela razão e experimentos.
Mas 100 anos depois de Newton, foi realizado um experimento que simplesmente não podia ser explicado pela concepção de Newton.
A expectativa clássica de enviar partículas através de uma única fenda (L) ou de uma fenda dupla (R). Crédito da imagem: carga indutiva do usuário do Wikimedia Commons.
Se você passasse um feixe de luz por uma única fenda estreita, esperaria que ele chegasse do outro lado, talvez mais intenso em direção ao centro do que em ambas as extremidades à medida que se afastava. Se você passasse um feixe de luz por duas fendas, esperaria dois picos centrais, cada um desaparecendo à medida que você se afastava. Pelo menos, isso seria verdade se a luz fosse feita de corpúsculos ou partículas.
Mas quando o experimento foi realizado com essas fendas próximas umas das outras, você não acabou vendo dois picos, mas sim um grande número de picos, com espaços escuros entre eles.
As franjas claras e escuras que aparecem do outro lado de um experimento de duas fendas realizado com luz só podem ser explicadas por uma natureza ondulatória, em vez de raios. Crédito da imagem: carga indutiva do usuário do Wikimedia Commons.
Esse tipo de fenômeno não poderia ser explicado por nenhuma teoria da luz baseada em raios (ou corpuscular), mas exigia que a luz se comportasse fundamentalmente como uma onda. Quando Thomas Young realizou sua experimento de dupla fenda em 1799, ele reconheceu que esse tipo de fenômeno só poderia ocorrer se — como outros como Huygens haviam teorizado antes — a luz se comportasse fundamentalmente como uma onda. Esse mesmo padrão de interferência, com picos construtivos e mínimos destrutivos, era familiar a qualquer um que tivesse realizado a experiência análoga com ondas de água.
A natureza ondulatória da luz passou por duas fendas, conforme ilustrado pelo trabalho original de Thomas Young, datado de 1803. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Quatar.
Mas a luz também parecia ter propriedades corpusculares (ou semelhantes a partículas). O tratado de Newton sobre Óptica, afinal, foi capaz de explicar como a luz refletia e refratava perfeitamente, sem tratar a luz como uma onda. A nova revelação – e os novos resultados experimentais – não invalidaram os mais antigos. Muito pelo contrário, se a luz realmente fosse uma onda, deveria mostrar em todos os casos que um comportamento ondulatório deveria se evidenciar.
A luz, seja passando por duas fendas grossas (superior), duas fendas finas (meio) ou uma fenda grossa (inferior), exibe evidências de interferência, apontando para uma natureza ondulatória. Crédito da imagem: Benjamin Crowell.
Assim, os principais teóricos da época, muitos dos quais estavam apaixonados pela infalibilidade de Newton, começaram a ver se a ideia de que a luz era uma onda levava a previsões absurdas. E em 1818, foi exatamente isso que o famoso matemático e físico francês Simeon Poisson Disposto a fazer.
Ele imaginou o que aconteceria se tivesse uma fonte de luz que emitisse um único comprimento de onda – supondo que fosse uma onda, é claro – e que se espalhasse ao sair da fonte até encontrar um objeto esférico. A luz que atingia a esfera seria absorvida ou refletida, e você ficaria com um anel de luz aparecendo na tela atrás dele.
Brilhar uma luz coerente (por exemplo, laser) em torno de um objeto esférico e opaco é uma das maneiras mais claras de testar a natureza ondulatória versus a natureza partícula da luz. Crédito da imagem: Universidade de Auburn.
Mas se a luz fosse realmente uma onda, você obteria alguns fenômenos muito bizarros, alguns que você poderia esperar e alguns que são completamente contra-intuitivos. Você pode esperar obter uma série de franjas claras e escuras fora da esfera, semelhante ao padrão de interferência observado na fenda dupla. Mas o que ninguém esperava era que os cálculos de Poisson mostrassem que bem no centro da sombra na tela deveria haver um único ponto brilhante, onde a natureza ondulatória da luz interferia construtivamente nos lugares mais improváveis.
Uma previsão teórica de como seria o padrão ondulatório da luz em torno de um objeto esférico e opaco. O ponto positivo no meio foi o absurdo que levou muitos a desconsiderar a teoria das ondas. Crédito da imagem: Robert Vanderbei.
Que absurdo! E assim, Poisson elegantemente raciocinou que a natureza ondulatória da luz era uma noção ridícula, e deve estar errada. Mas Poisson cometeu o pecado capital da arrogância teórica: ele tirou uma conclusão sem realizar a experimento crucial em absoluto!
As circunstâncias disso foram particularmente enlouquecedoras: isso foi em uma competição patrocinada pela Academia Francesa de Ciências para explicar a natureza da luz, e o participante que propôs a teoria das ondas - Fresnel - foi basicamente ridicularizado da sala por Poisson, que foi um dos juízes. Mas o chefe do comitê defendeu o candidato e decidiu fazer o que um cientista deve fazer em sã consciência. François Arago, que mais tarde se tornou muito mais famoso como político, abolicionista e até primeiro-ministro da França, realizou ele próprio o experimento decisivo, criando um obstáculo esférico e iluminando-o com uma luz monocromática. O resultado?
Os resultados de um experimento, exibidos usando luz laser em torno de um objeto esférico, com os dados ópticos reais. Crédito da imagem: Thomas Bauer em Wellesley.
O lugar é real!
Eu mesmo me referi a isso - como muitos outros - como o ponto de Poisson no passado, mas não o faço mais. A partir daí, em homenagem ao cientista que realmente colocou a ciência à prova experimental, será conhecido como o Ponto de Arago !
Um modelo do experimento, com o ponto brilhante realmente testado e encontrado por Arago. Crédito da imagem: Thomas Reisinger, cc-by-sa 3.0, E. Siegel.
O que talvez seja mais surpreendente sobre isso é que, se você criar um obstáculo perfeitamente circular, a intensidade da luz no centro é realmente igual à intensidade completamente desobstruída, com pequenas franjas circulares ao redor do próprio ponto. Pequenas imperfeições na esfera apenas realçam as ondulações adicionais vistas na parte sombreada.
Imperfeições na suavidade da esfera levam a perturbações de interferência adicionais, mas o ponto central sempre domina. Crédito da imagem: Thomas Reisinger, criado usando GNUPlot, sob cca-sa-3.0.
Então, da próxima vez que você se deparar com o que parece ser um absurdo teórico, seja porque você acredita que tal coisa deve ser assim ou não pode ser, não se esqueça da importância vital de colocá-lo à prova experimental! É o único Universo que temos e, por mais sólidas que sejam as bases de nossas previsões teóricas, elas sempre devem estar sujeitas ao escrutínio de testes implacáveis e contínuos. Afinal, você nunca sabe quais segredos o Universo revelará sobre si mesmo até olhar!
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