O poder incomparável da experiência
Crédito da imagem: CAU, Rohwer et al., Via http://www.laboratoryequipment.com/news/2012/09/lasers-can-finally-classify-electrical-insulators.
O que um bom cientista deve fazer quando sua teoria prevê algo absurdo?
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
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.
Crédito da imagem: esboço de Newton do Cometa Halley no Principia, recuperado via http://plato.stanford.edu/entries/newton-principles/ .
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.
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 explicada pela concepção de Newton.
Crédito das imagens: retiradas de http://genesismission.4t.com/Physics/Quantum_Mechanics/double_slit_experiment.html .
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 raio de luz através dois fendas, você esperaria dois picos centrais, cada um desaparecendo à medida que você se afastava dele. 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 acabam vendo dois picos, mas sim um grande número de picos, com espaços escuros entre eles.
Crédito da imagem: Tony Mangiacapre, via http://www.stmary.ws/highschool/physics/home/notes/waves/lightwave.htm .
Esse tipo de fenômeno pode não ser explicada com qualquer teoria da luz baseada em raios (ou corpuscular), mas exigia que a luz se comportasse fundamentalmente como uma onda . Quando Thomas Young realizou seu 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 construtivo picos e destrutivo minima, era familiar a qualquer um que tivesse realizado a experiência análoga com ondas de água.
Crédito da imagem: esboço de Thomas Young, 1803, digitalização e upload pelo usuário do Wikimedia Commons Quatar.
Mas leve Além disso pareciam 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.
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.
Crédito da imagem: Universidade de Auburn.
Mas se a luz fosse verdadeiramente uma onda, você obteria alguns fenômenos muito bizarros, alguns que você poderia esperar e alguns que são completamente não 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 esperado era que os cálculos de Poisson mostrassem que bem no centro da sombra na tela, deve haver um único ponto brilhante, onde a natureza ondulatória da luz interfere construtivamente nos lugares mais improváveis.
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 realizando o 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 era um dos juízes. Mas o chefe do comitê defendeu o candidato e decidiu fazer o que um cientista devo 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?
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 farei mais. A partir daí, em homenagem ao cientista que realmente colocar a ciência à prova experimental , será conhecido como Ponto de Arago !
Crédito da imagem: Thomas Reisinger Criado usando o Google Sketchup 8.0, sob c.c.-by-3.0; modificação de nome por mim.
O que talvez seja mais surpreendente sobre isso é que, se você criar um obstáculo perfeitamente circular, a intensidade da luz no centro é na verdade igual à completamente desobstruído intensidade, com pequenas franjas circulares ao redor do próprio local!
Crédito da imagem: Thomas Reisinger. Criado usando GNUPlot, sob c.c.a.-sharealike-3.0.
Então, da próxima vez que você se deparar com o que parece ser um absurdo teórico, seja porque você acredita em tal coisa devo seja assim ou não pode seja assim, não se esqueça da importância vital de colocá-lo à prova experimental! É o único Universo que temos, e não importa quão sólida seja a base de nossas previsões teóricas, elas devem sempre estar sujeito 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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