Quantas cores existem realmente em um arco-íris?

Crédito da imagem: Paul Nicklen / National Geographic, 2008, via http://photography.nationalgeographic.com/wallpaper/photography/photos/patterns-nature-rainbows/highway-rainbow-nicklen/.

Em vez dos seis ou sete que você pode ter aprendido, seu olho é capaz de delinear um número muito maior. Mas quantos, e qual é a explicação?

As cores de um arco-íris tão bonitas no céu.
Estão também nos rostos das pessoas que passam. –
Louis Armstrong



Não é nenhum segredo que a luz branca é a luz que vemos quando todas as cores brilham juntas e são vistas ao mesmo tempo. Isso é conhecido há mais de 400 anos, quando Isaac Newton demonstrou essa luz branca poderia ser decomposta em todas as cores conhecidas, dispersando-a através de um prisma.



Crédito da imagem: Adam Hart-Davis.

Tudo o que estamos fazendo é quebrar a luz branca – neste caso, a luz do sol – em todas as suas cores componentes. Isso pode ser feito artificialmente (como configurando um prisma) ou naturalmente (no caso de um arco-íris), e abrange comprimentos de onda dentro e fora do que nossos olhos podem perceber.



Crédito da imagem: Antonine Education, recuperada de Kerry Clavadetscher.

Enquanto o Universo contém comprimentos de onda de luz que variam de muitos metros de comprimento (ondas de rádio) até raios gama ultra-energéticos e de alta frequência (com comprimentos de onda tão pequeno quanto um único próton ), é apenas a luz que varia de cerca de 400 nanômetros a pouco mais de 700 nanômetros que nos fornece a luz visível aos nossos olhos humanos.

Para nossa sorte, é onde grande parte da luz do Sol incide, especialmente após a absorção atmosférica ser considerada.



Crédito da imagem: Robert A. Rohde, como parte do projeto Arte do Aquecimento Global.

Mas recentemente me fizeram uma pergunta (que foi também postei aqui ) que não tinha sido perguntado antes: Quantas cores existem realmente no arco-íris?

Crédito da imagem: Dancing Eagle Woman of http://dancingeaglewoman.com/dream-paths/bright-rainbow/ .



Como isso é um pouco impreciso, vamos reapresentá-lo em termos mais técnicos: Quantas frequências distintas um fóton pode ter na faixa de frequência visível para os humanos?

Você pode pensar – de cabeça – que a resposta é infinito; por que você não seria capaz de ter apenas um número infinito de frequências que ocorrem nesse intervalo?



Crédito da imagem: 2012 Russell Rolen.

Se a luz fosse uma onda clássica contínua, é exatamente assim que funcionaria. Mas a luz, lembre-se, é um fenômeno intrinsecamente quântico , e assim, se a energia dos fótons provenientes de uma fonte é finita e discreta, então também devem ser as frequências (e, alternadamente, os comprimentos de onda) provenientes deles.

Afinal, é assim que os átomos funcionam.

Crédito da imagem: Marcel Patek.

Os átomos só podem emitir e absorver luz de frequências muito específicas e, portanto, podemos observar linhas de absorção e emissão exclusivas de átomos individuais. Não apenas isso, mas os átomos podem ser combinados em padrões extraordinariamente intrincados para criar uma infinidade de moléculas. Vários diferentes tipos de moléculas com muitos comprimentos de onda diferentes de absorção/emissão, com certeza, mas ainda assim um número finito.

Mas o Sol não é feito de átomos neutros.

Crédito da imagem: Solar Dynamics Observatory (SDO) da NASA.

O Sol é um miasma de plasma incandescente , e as regras que governam os átomos e os comprimentos de onda específicos em que eles podem emitir e absorver luz não se aplicam aos plasmas. Em vez de, eles podem emitir em um número arbitrariamente grande de frequências, dependendo da temperatura do plasma. Para o Sol – a pouco menos de 6000 K – com algumas regiões um pouco mais quentes e outras um pouco mais frias, ele emite cerca de 40% de sua energia na forma de fótons que caem na parte do espectro de luz visível aos nossos olhos. E oh, há um muito deles: em algum lugar da ordem de 10^45 fótons de luz visível vêm do Sol todo segundo. Embora esse número não seja infinito, significa que você teria que ir a um sub- planckiano precisão para discernir uma diferença de frequência entre dois fótons que estavam muito próximos em energia.

Por outro lado, seus olhos são compostos de moléculas neutras que está altamente restrito em relação aos comprimentos de onda da luz aos quais eles podem responder, e 10^45 é um número muito maior de cores do que uma criatura como você ou eu jamais discernirá.

Crédito da imagem: Benjamin Cummings / Pearson Education, Inc.

Embora os bastonetes em seus olhos não possam discernir a cor, eles são sensíveis a tão pouca luz quanto um único fóton, portanto, são mais úteis em condições de luz extremamente baixa. À noite, as hastes em seus olhos estão posicionadas para a frente, com os cones (inúteis) na parte traseira.

Mas sob condições mais claras, os cones avançam no olho, com cada célula de cone sensível a um conjunto particular de comprimentos de onda de luz visível, capaz de discernir cerca de 100 diferentes tonalidades dessa cor.

Crédito da imagem: Ivo Kruusamägi da Wikipedia.

Uma vez que a maioria dos humanos tem três tipos separados de cones (tornando-nos tricromatas ), um total de (100)^3 = 1 milhão de cores são discerníveis para um humano típico. Alguns humanos nascem sem um dos três tipos de cones, criando uma condição conhecida como daltonismo ; daltônico ( dicromático ) os humanos só podem ver (100)^2 = 10.000 cores distintas. Por outro lado, alguns humanos (fêmeas) têm quatro tipos distintos de cones, tornando-os tetracromatos e permitindo-lhes distinguir até (100)^4 = 100 milhões de cores separadas !

Crédito da imagem: Encyclopædia Britannica, Inc.

Então, saindo de frequências únicas, há mais cores em um arco-íris do que estrelas no Universo ou átomos em seu corpo, mas isso vai muito além do que podemos perceber. Seu olho imperfeito pode (provavelmente) discernir apenas cerca de um milhão de cores distintas quando você vê um arco-íris ou qualquer outra coisa.

Mas oh, que vista espetacular é poder ver tudo o que nossos olhos permitem.

Crédito da imagem: Shanana Rocks.

O que podemos perceber pode ser apenas uma pequena fração da informação realmente codificada na luz do Universo, mas é uma pequena fração incrível! Os cães se saem um pouco pior, tendo apenas os tipos de cones amarelos e azuis, enquanto os pardais têm um quarto tipo (estendendo sua visão no ultravioleta), as borboletas têm cinco a seis, e os camarão mantis tem um colossal 16 !

Assim, enquanto um milhão de cores (ou 100 milhões para os tetracromáticos entre nós) pode ser o limite do que o olho humano pode ver, o camarão mantis posso ser capaz de discernir até 10^32 cores no arco-íris se o mesmo padrão se mantiver!

Crédito da imagem: Fotos Digitais Gratuitas, via www.freedigitalphotos.net/ .

E essa é a incrível história de quantas cores são realmente em um arco-íris, e como é a nossa biologia - não as propriedades físicas da própria luz — que limitam o que podemos ver!


Uma versão anterior deste post apareceu originalmente no antigo blog Starts With A Bang em Scienceblogs.

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