História da óptica (partes)

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1.0 Introdução
1.1 História da óptica
A óptica é um ramo da Física no qual se estuda a propagação da luz e sua interação com a matéria [1], ou seja, estuda fenômenos que têm como causa a energia radiante.
A origem da óptica remete-se aos gregos, que foram os primeiros a realizar questionamentos a respeito da propagação da luz. O principal foco de estudos destes eram os mecanismos relacionados ao processo da visão, isso porque os gregos preocupavam-se com como nossos sentidos interferiam na nossa forma de percepção de mundo [2].
Os primeiros indícios a respeito de indagações acerca da óptica são vinculados a Homero (aproximadamente século IX a.C.). Homero elaborou um modelo de visão onde afirmava que esta ocorria devido a raios luminosos, que partiam dos olhos e atingiam o objeto observado [2]. Ele acreditava ainda que a luz era formada por corpúsculos, que eram feixes de minúsculas partículas emitidas por fontes de luz [3].
Posteriormente o modelo homérico foi criticado por Pitágoras (560 à 480 a.C.), onde este refutava o modelo e afirmava que os raios de visão vinham dos objetos. Entretanto, Pitágoras ainda acreditava que a luz era formada por corpúsculos. [2]
Pitágoras formulou uma complexa estrutura de pensamento, conhecida como escola de Pitágoras, que influenciou inúmeros outros filósofos em diversos ramos do conhecimento. Demócrito (460 à 370 a.C.), Epícuro (341 à 270 a.C.), Archytas (350 a.C.) e Empédocles (490 à 430 a.C.) foram alguns dos filósofos que adotaram o modelo pitagórico. [2]
Platão (427 à 347 a.C.) desenvolveu um terceiro modelo no qual consistia em um modelo intermediário entre o modelo homérico e o modelo pitagórico. Platão afirmava que o processo de visão era devido a três jatos de partículas, onde o primeiro partiria dos olhos, o segundo do objeto observado e o terceiro de fontes iluminadas. Partindo disso, os raios se encontravam e retornavam aos olhos formando, assim, a visão. Embora não tenha suposto muito acerca da natureza da luz, acreditava que a luz era formada por corpúsculos. Sua teoria foi embasada na crença de que a luz era uma espécie de fogo divino e, como consequência disso, atribuiu a ela propriedades místicas. [2]
Tradições mitológicas, crenças divinas, tinham considerável interferência sobre a filosofia grega. Como este fato influencia fortemente o estilo de pensamento, a ciência e os conceitos religiosos eram deveras misturados.
Euclides (300 a.C.) baseou-se em sua tradição matemática e desenvolveu um sistema onde fenômenos relacionados a luz eram descritos através de algumas definições e por 58 proposições, tendo como ponto de partida a hipótese de Platão [2].
A quebra da corrente de pensamento voltada a tradição grega é notada em dois filósofos, sendo eles Empédocles (490 a.C. à 430 a.C.) e Aristóteles. Empédocles afirmava que a luz era formada por corpúsculos e seus escritos foram tão aprofundados que ministraram as ideias de Newton acerca da natureza da luz, enquanto Aristóteles afirmava a ideia de que a luz era causada por uma atividade em um determinado meio (inicio a teoria ondulatória da luz) [2].
Devido a pouca tecnologia, os estudos realizados na idade antiga se restringiram basicamente a fenômenos especulares. Alguns filósofos, como Arquimedes (287 a.C. à 212 a.C.), foram então capazes de entender a reflexão e chegaram a obter a lei de reflexão em um espelho plano. Além disso, os gregos obtiveram sucesso quanto às leis em espelhos cônicos [2].
O matemático grego Apolônio (261 a.C. à 190 a.C.) estudou os espelhos incandescentes, ou espelhos elipsóides, percebendo que os raios provenientes de um de seus focos refletem no foco conjugado. A partir disso o conhecimento grego em óptica foi dividido e organizado sobre estes fenômenos luminosos em três ramos [2].
O primeiro ramo, denominado óptica, era uma teoria geométrica cuja função era descrever a percepção visual de objetos. O segundo, denominado Catóptrica, era o estudo da teoria dos espelhos. Já o terceiro, denominado cenografia, era o estudo das regras de perspectiva sobre a pintura, a escultura e a arquitetura [2].
Durante a idade antiga e a média, tivemos um período de 400 anos onde não se comenta historicamente sobre a óptica. Isso pode-se dever a dois fatores, sendo um a inexistência de material catalogado, e o outro que a pesquisa pode ter ficado estagnada. Nessa época o progresso na Europa foi feito lentamente, devido as Doutrinas Cristãs Católicas.
Em 1038 a.C., Haythan afirmou que o raio incidente, o raio refletido e o raio normal constavam no mesmo plano, descobrindo a lei da reflexão. Ele também fez uma descrição detalhada do olho humano e estudou espelhos esféricos e parabólicos, construindo sistemas ópticos com lentes e espelhos cônicos. Apesar de seu vasto estudo na óptica, nenhum questionamento a respeito da natureza da luz fora catalogado [2].
No período conhecimento como alta idade média ocorreu o renascimento da óptica. Este renascimento é devido à Bacon (1215 à 1294) que sugeriu a utilização de lentes para compensar os defeitos visuais e iniciou a ideia de combinações de lentes para fazer um telescópio. Ele também estimou a respeito do arco-íris, afirmando que suas cores eram devidas à imagens do sol. Apesar de inúmeros trabalho, não questionou a respeito da natureza da constituição da luz [2].
Em 1274 Wetelo (1225 à 1275) descreveu experiências com relação a refração da luz nas interfaces ar-água, ar-vidro e água-vidro, com a dispersão da luz branca em um prisma hexagonal e em esferas de vidro cheias de água, também abordando a respeito das cores do arco-íris. Schirazi (metade do século XIII) afirmou que o arco-íris era devido à dupla refração e reflexão de raios solares nas gotículas de água que compõe nuvens [2].
Por volta de 1558 (período renascentista), Giovanni Batist Della Porta (1535 à 1615) escreveu um livro chamado Magia Natural, onde abordou questões a respeito de espelhos múltiplos e combinações de lentes, além de ter apresentado a primeira descrição da visão binocular e do telescópio. Trabalhou com espelhos esféricos (principalmente côncavos) e mostrou que o foco dos mesmos tinha a capacidade de inverter imagens (imagens virtuais e direitas se transformam em imagens reais e invertidas ao colocar-se o objeto além do foco) [2].
Em 1567, Maurolico (1494 à 1575) escreveu sobre a projeção de sombras, reflexão da luz, formação do arco-íris, estrutura do olho humano, efeitos das lentes e o problema da caustica nos espelhos, além de métodos para medição de intensidade da luz e descrição do calor radiante. Pode ter sido o primeiro a mostrar que a luz se desloca paralelamente ao feixe incidente quando atravessa uma lamina de faces paralelas [2].
Durante o século XVII ocorreu uma grande revolução da óptica. Neste período houve a invenção do telescópio e a busca por seu aperfeiçoamento. Marcado por uma corrida tecnológica neste período ocorre acentuadas buscas por lentes perfeitas. Não se sabe o exato inventor do telescópio dióptrico. Existem registros que mostram um pedido de patente para um telescópio datado em 2 de outubro de 1608 por Lisppershey (1587 à 1619). Foram utilizadas uma lente côncava e uma convexa de pequeno poder de aumento, sendo atribuída a eles a possível invenção do microscópio composto [2].
Em 1609, Galileu Galilei (1564 à 1642) construiu seu primeiro telescópio, sendo constituído de uma lente convergente e uma divergente montadas em dois tubos corrediços de chumbo e com aumento equivalente a três diâmetros. Ao polir suas próprias lentes, foi adquirindo telescópios cada vez mais potentes [2].
Em 1610, Kepler (1571 à 1630) começou seu estudo teórico das lentes para entender o funcionamento do telescópio. Escreveu o livro dioptrice composto de definições, axiomas, problemas e proposições, no qual escreveu uma teoria referente à óptica instrumental.
Em 1621, Snell (1591 à 1626) realizou um experimento onde pôde observar experimentalmente que a mudança do raio refratado em relação à direção do raio incidente era devido à uma lei tiposeno. Ao descobrir a lei da refração, Snell possibilitou o inicio para óptica aplicada contemporânea [2].
Em 1637, Descartes (1596 à 1650) apresentou na dióptrica um tratamento matemático da lei da refração da luz. Usando a teoria corpuscular da luz, constatou erroneamente que a velocidade da luz é maior nos meios mais densos. Em seu segundo livro “a geometria” estudou o problema geral de encontrar uma superfície que separando dois meios faria com que os raios luminosos, partindo de um mesmo ponto e após se refratarem nessa superfície, convergiriam para um outro ponto pré-determinado. Acabou descobrindo que a curva que gera essa superfície é oval [2].
Em 1657, Fermat (1601 à 1665) enunciou o principio do tempo mínimo, onde afirmava que a luz ao se propagar entre dois pontos de sua trajetória, seguirá o caminho cujo percurso seja menor (mínimo). Matematicamente temos que a integral assume um valor mínimo quando a luz viaja com velocidade v entre os pontos p1 e p2. Portanto:
Equação 01: Principio de Fermat.
As leis da óptica conhecidas foram elaboradas a partir deste principio. Em 1661 foi utilizado para demonstrar a lei da refração da luz. Sabemos hoje que Fermat estava correto [2].
Sabendo-se que as ideias de minimização de propriedades já haviam sido formuladas, foi proposto o principio da mínima ação. Este principio foi proposto por Maupertius (1698 à 1759) e estabelece que na natureza a ação é igual a um mínimo (ele afirmou erroneamente a ação como sendo o produto da velocidade pelo caminho percorrido) [2].
Em 1665, Grimaldi observou a difração e demonstrou que se um feixe de luz branca passa através de dois orifícios estreitos, situados um atrás do outro, e atinge um anteparo branco, ocorre neste anteparo uma região iluminada que mostra que uma propagação além do que a em linha reta, como se a luz se encurvasse. Observou também que nas bordar da região iluminada apresentava coloração avermelhada e azulada [2].
Em 1666, Newton (1642 à 1727) estudou as cores exibidas por películas finas e descobriu então o fenômeno da dispersão. Newton também realizou uma experiência utilizando as cores do arco-íris, fazendo-as passar por um segundo prisma invertido em relação ao primeiro prisma e reproduziu, com isso, em uma tela, a luz branca. Constatou a partir da experiência do disco colorido que a luz branca é uma combinação das cores do arco-íris [2].
Para solucionar o problema conhecido como aberração cromática, em 1668 Newton inventou o telescópio refletor (tubo catadióptrico). Este telescópio proporcionava duas grandes vantagens, sendo que eliminava o fenômeno da absorção luminosa, já que a luz era refletida, e também a inexistência do fenômeno da aberração cromática [2].
Em 1690, Huygens publicou um livro chamado “Tratado da Luz”, onde mostrava sua teoria ondulatória da luz. Em sua teoria a luz é considerada uma onda longitudinal. Com este principio demonstrou as leis de reflexão e refração, mostrando também que a velocidade da luz era maior no ar do que na água. Em experiências realizadas utilizando o cristal calcita, Huygens descobriu a polarização da luz, porém não soube explicar este fenômeno [2].
Referências
[1] KRAUSE, Marcelo O`Donnell. Laboratório de Física IV: módulo 6, volume 5– EAD / Marcelo O`Donnell – Ilhéus, BA: ed. 2013.
[2] SILVA, Adriano Aparecido da. Crônicas da Luz: Uma breve história da óptica. Uberlândia, 2006.
[3] YOUNG, Hugh D. Física IV: ótica e física moderna/ Young e Freedman; [colaborador A. Lewis Ford] ; tradução Cláudia Martins; revisão técnica Adir Moysés Luiz. – São Paulo: Addison Wesley, 2009.