Algumas pessoas pensavam que o prisma mudava a qualidade da luz, dando cores a ela, ao invés de separar as cores de uma mistura já existente. Newton decidiu a questão com dois experimentos em que a luz passava por um segundo prisma. Inicialmente ele colocou, depois do primeiro prisma, uma fenda que deixava passar apenas uma pequena parte do espectro, digamos, a porção vermelha. Quando essa luz vermelha era novamente refratada por um segundo prisma, aparecia apenas luz vermelha. Isso demonstrava que a luz não é qualitativamente alterada por um prisma, apenas separada em componentes que estariam normalmente misturados. Em seu outro experimento decisivo, Newton virou o segundo prisma de cabeça para baixo. As cores do espectro que haviam sido desdobradas pelo primeiro prisma voltaram a ser reunidas pelo segundo. O que apareceu foi a luz branca reconstituída.
A maneira mais fácil de compreender o espectro é pela teoria da luz como onda. O importante sobre as ondas é que nada realmente viaja todo o percurso da fonte ao destino. O movimento que se produz é local e em pequena escala. O movimento local desencadeia o movimento no próximo trecho local, e assim por diante, ao longo de toda a linha, como a famosa "ola" ("onda", em espanhol) dos estádios de futebol.
O que ocorre num prisma de vidro ou em
uma gota de
chuva para dividir a luz branca em suas cores separadas? E, por que os
raios de luz são desviados pelo vidro e pela água? A
mudança resulta de um retardamento da luz, enquanto ela se move
do ar para dentro do vidro (ou da água). Ela acelera de novo
quando sai do vidro.
Como é que isso pode ocorrer se Einstein
demonstrou que a velocidade da luz é a grande constante
física do universo e que nada pode se mover mais rápido?
A resposta é que a lendária velocidade da luz,
representada pelo símbolo c, só é
alcançada no vácuo. Quando se desloca por uma
substância transparente como vidro ou água, a luz é
retardada por um fator conhecido como o "índice de
refração" dessa substância. É também
retardada no ar, mas com menos intensidade.
Entretanto, por que a diminuição da velocidade se traduz numa mudança de ângulo? Se o raio de luz aponta perpendicularmente para dentro de um bloco de vidro, ele vai continuar no mesmo ângulo (rumo à frente), mas retardado. Entretanto, se ele entra na superfície por um ângulo oblíquo, é refratado para um ângulo mais aberto, quando começa a se deslocar mais devagar.
O índice de refração de uma substância, digamos do vidro ou água, é maior para a luz azul que para a vermelha. Seria possível pensar que a luz azul é mais lenta que a vermelha, emaranhando-se na moita de átomos do vidro e da água, por causa de seu pequeno comprimento de onda. A luz de todas as cores se emaranha menos entre os átomos mais esparsos do ar, mas a azul ainda se desloca mais devagar do que a vermelha. No vácuo, onde não há átomos, a luz de todas as cores tem a mesma velocidade: o grande e universal máximo c.
As gotas de chuva têm um efeito mais
complicado do que o prisma de Newton. Sendo aproximadamente
esféricas, sua superfície posterior age como um espelho
côncavo. Assim, elas refletem a luz do sol depois de
refratá-la, sendo essa a razão pela qual vemos o
arco-íris na parte do céu oposta ao Sol.
Imagine que você se acha com as costas viradas para o Sol, olhando para a chuva, de preferência com um pano de fundo sombrio. Não veremos um arco-íris se o Sol estiver mais alto no céu do que 42 graus acima do horizonte. Quanto mais baixo o Sol, mais elevado o arco-íris. Quando o sol nasce pela manhã, o arco-íris, se houver algum visível, se põe. Quando o Sol se põe no entardecer, o arco-íris se eleva. Assim, vamos assumir que é de manhã cedo ou no fim da tarde. Vamos pensar numa gota de chuva particular como uma esfera. O Sol está atrás e um pouco acima de você, e a sua luz entra na gota de chuva. Na fronteira do ar com a água, a luz é refratada e os diferentes comprimentos de onda que formam a luz do Sol são inclinados em diferentes ângulos, como no prisma de Newton. As cores desdobradas passam pelo interior da gota de chuva até atingirem a parede côncava do outro lado, onde são refletidas de volta e para baixo. Elas saem de novo da gota de chuva, e algumas acabam em nosso olho. Quando voltam a passar da água para o ar, são refratadas novamente, sendo as diferentes cores mais uma vez inclinadas em ângulos diferentes.
O arco-íris
Assim, um espectro completo – vermelho, laranja,
amarelo, verde, azul, anil e violeta – se origina da nossa única
gota de chuva, e outros semelhantes se originam das outras gotas de
chuva nos arredores. Mas, de qualquer gota de chuva, apenas uma pequena
parte do espectro atinge o nosso olho. Se o olho recebe um raio de luz
verde de uma gota de chuva particular, a luz azul daquela gota de chuva
passa acima do olho, e a luz vermelha passa por baixo. Assim, por que
vemos um arco-íris completo? Porque há muitas gotas de
chuva diferentes. Uma faixa de milhares de gotas de chuva está
lhe dando a luz verde (e ao mesmo tempo a luz azul para alguém
que esteja adequadamente colocado acima de você, e ao mesmo tempo
a luz vermelha para outra pessoa abaixo de você). Outra faixa de
milhares de gotas de chuva está lhe dando a luz vermelha (e a
luz azul para outra pessoa...), outra faixa de milhares de gotas de
chuva está lhe dando a luz azul, e assim por diante. As gotas de
chuva que lhe transmitem a luz vermelha estão todas a uma
distância fixa de você – razão pela qual a faixa
vermelha é curvada (você está no centro do
círculo). As gotas de chuva que lhe transmitem a luz verde
também estão a uma distância fixa de você,
mas é uma distância menor. Assim, o círculo em que
você se acha tem um raio menor, e a curva verde se encontra
dentro da curva vermelha. A curva azul vai então estar dentro da
verde, e todo o arco-íris é construído como uma
série de círculos com você no centro. Os outros
observadores verão arco-íris diferentes, neles centrados.
Assim, ao invés do arco-íris estar
fixado num "lugar" particular, há tantos arco-íris
quantos olhos contemplando a tempestade. Olhando para a mesma chuva de
lugares diferentes, observadores diferentes vão formar seus
arco-íris separados usando a luz de diferentes grupos de gotas
de
chuva. O poeta inglês indignou-se por Newton ter
explicado o arco-íris, mas, para muitos, a Natureza fica sempre
mais bela quanto melhor compreendida.
© Revista
Eletrônica de Ciências - Número 4 - Fevereiro de
2002.