ENTENDENDO A VISÃO CIENTÍFICA DO FÓTON

Prólogo

Hoje sabemos que a luz é composta por diminutas partículas. Tais partículas são denominadas de fótons e  pretendemos analisar as propriedades das mesmas.

Prevalece assim, nos dias de hoje, a idéia de que a luz tem uma natureza corpuscular. Newton, há muitos séculos, ao retomar a discussão sobre a natureza da luz, defendia a natureza corpuscular da mesma. Essa teoria corpuscular, no entanto, caiu no esquecimento por algum tempo em função da descoberta de fenomenos ondulatórios associados com a luz.

Einstein retomou a idéia da natureza corpuscular num trabalho que ficou célebre. Esse trabalho foi publicado em 1905 e evocava a teoria corpuscular da luz para explicar o efeito fotoelétrico.

Assim, conquanto seja difícil de entender, nós lidamos todos os dias, ao longo do dia inteiro, com uma das partículas elementares. Trata-se dos fótons.

Sempre que você estiver em contato com a luz, qualquer luz (do Sol, das estrelas, da lâmpada elétrica etc.) você estará em contato com essas partículas elementares. Isso porque, hoje sabemos, a luz é composta por essas diminutas partículas.

Essas partículas, os fótons, estão em todo o Universo com certeza e em todas as suas regiões com a mesma abundância. Eles são muito numerosos no Universo. Excedem em muito as demais partículas.

Na realidade, quando falamos dos fótons estamos falando não de um ou dois, mas de bilhões e bilhões.

Se os fótons são tão numerosos, por que não sentimos os seus efeitos? Na realidade, podemos sentir os efeitos associados à presença de grande número de fótons. Por exemplo, só podemos ver se tivermos luz à nossa disposição. Fótons com energia compreendida entre dois valores (os quais explicaremos depois), e desde que em grande número, compondo uma onda eletromagnética, são capazes de sensibilizar um dos nossos sentidos (o da visão).

Propriedades dos fótons

O fóton é uma partícula muito curiosa. Vamos analisar algumas de suas propriedades:

1. O fóton não tem massa

Provavelmente, suspeitamos hoje, essa seja a única partícula elementar, encontrada livre no Universo, sem massa. Na verdade, os gluons, partículas que assim como o fóton são associadas a uma força, também têm massa zero, mas não podem ser encontrados livremente. Apesar de não ter massa o fóton tem energia. Isso parece ser um contrasenso, no entanto isso ocorre porque o fóton tem uma quantidade de movimento. Então, se p = quantidade de movimento do fóton,sua energia, de acordo com a Teoria da Relatividade de Einstein, é dada por E = pc...onde é c a velocidade da luz.

Outra conseqüência do fato de que o fóton não tem massa é que ele não interage gravitacionalmente e, portanto, passa próximo dos corpos massivos sem se desviar. Para ser bem preciso, ele acaba se desviando um pouco e isso tem relação com a Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

2. O fóton não tem carga

Esta é outra propriedade interessante do fóton. Isso quer dizer apenas que ele não é atraído ou repelido por ímãs ou por objetos eletrizados. O fóton é indiferente (do ponto de vista da força exercida sobre ele) à interação eletromagnética.

3. O fóton viaja muito rápido

O fóton viaja mais rápido do que qualquer outra partícula. Só eventuais outras partículas sem massa (como, eventualmente os neutrinos) têm velocidade igual à do fóton.

A velocidade de qualquer fóton (não importa sua energia) é aproximadamente (utiliza-se para a velocidade da luz o símbolo c)

 c= 300.000 km/s .

Como o fóton viaja sem interação, quer seja eletromagneticamente ou gravitacionalmente, pode-se prever que o fóton não se desvia do seu caminho enquanto viaja. Ele deve, portanto, propagar-se em linha reta. Como a luz é composta por fótons, podemos agora afirmar:

A luz se propaga em linha reta.

Este é, na verdade, um dos princípios básicos da óptica geométrica.

4. A velocidade do fóton é a velocidade limite

Essas propriedades seguem da Teoria da Relatividade Especial de Einstein. O fato de a velocidade da luz ser a velocidade limite significa que não existe na natureza nenhum objeto cuja velocidade exceda a velocidade da luz. Portanto, deve seguir daí que o fóton detém o recorde universal de velocidade.

Será isso verdade? Continuamos suspeitando que Einstein tenha razão. Até hoje, não se detectaram (ou se encontraram) partículas mais velozes do que o fóton. Admite-se, de acordo com Einstein, apenas um empate (velocidade igual à velocidade da luz). Dá-se o nome de tachyons às eventuais partículas mais velozes do que a luz. Existem teorias para descrevê-las. Mas o fato é que até hoje não foram encontradas. Então Einstein continua tendo razão nesse ponto.

O fato de que a maior velocidade no Universo é essa do fóton (300.000 km/s), leva-nos a afirmar que essa é a velocidade máxima que temos à nossa disposição para enviar (ou receber) informações. Isso tem conseqüências muito profundas. Se você quiser enviar uma mensagem até a estrela mais próxima (uma das de Alfa de Centauro), o tempo mínimo para o envio da mensagem e o recebimento da resposta é de 8,6 anos. Para as estrelas mais longínquas seria de milhões ou bilhões de anos (é melhor esquecer a mensagem). De qualquer forma, isso é apenas para lembrar que, ao receber a luz de uma estrela aqui na Terra hoje, essa luz foi produzida (na estrela) há muitos anos atrás. Hoje, provavelmente a estrela até mesmo já tenha se apagado e, com certeza, não está exatamente no ponto em que parece estar, pois durante o tempo da viagem a estrela se movimentou.

E se, por acaso, existirem partículas mais velozes do que o fóton? Bem, nesse caso, teríamos um meio mais eficiente de comunicação, é claro. E a teoria de Einstein teria que ser modificada. A questão ainda não está resolvida.

5. A velocidade do fóton é absoluta

Estamos agora diante de outra coisa surpreendente a respeito dessas partículas.

Para entendermos isso, consideremos as partículas ordinárias, ou melhor, um grande número delas. Consideremos uma bola (sim, uma bola grande). Digamos que essa bola deslize num vagão de um trem a uma velocidade de 20 km por hora na mesma direção do deslocamento do trem que tem uma velocidade de 80 km.

Qual a velocidade da bola para quem está fora, parado, olhando o trem passar? A resposta é a adição de velocidades

v_fora = v_trem + v_bola

Temos, portanto, que a velocidade da bola fora do trem é de 100 km, pois devemos somar as duas velocidades.

Agora vamos fazer a mesma experiência com os fótons. Vamos substituir a bola pelos fótons. Qual é a velocidade dos fótons? Seria

v_fora = v_trem + v_fóton?

mas não é!! A velocidade dos fótons fora do trem é a mesma que dentro do trem:
v_fora = v_{fóton !}

Einstein, sabe-se lá como!!, intuiu que para os fótons (na verdade ele se referia à luz) é diferente. Para ele a velocidade da luz é absoluta. Isto é, não depende do sistema de referências. Isto vale apenas para sistemas de referências ditos inerciais. Isto é, sistemas que se desloquem, uns em relação aos outros com velocidade constante. Podemos afirmar que

Os fótons têm a mesma velocidade para qualquer sistema inercial.

Interações e colisões de fótons

Os fótons colidem e interagem de uma maneira análoga às demais partículas. É isso que, afinal, justifica a classificação dos fótons como partículas.

Apesar de sofrerem forças do tipo previsto pelo eletromagnetismo clássico, os fótons participam da interação eletromagnética (sendo os mediadores dessa interação). Na realidade, a interação eletromagnética ocorre como resultado da troca de fótons. Eis aí o que aprendemos nos últimos anos sobre as interações eletromagnéticas.

Imagine uma interação eletromagnética qualquer como, por exemplo, o afastamento de partículas portando cargas de sinais opostos. Ela ocorre, a interação entre as duas cargas, mediante a troca de fótons.

A interação eletromagnética se dá, basicamente, em duas etapas. Consideremos a interação entre dois elétrons. Na primeira etapa uma partícula (um dos elétrons), portanto uma carga negativa, produz um fóton (começou o processo de interação). Ao produzir esse fóton a partícula muda de direção (uma vez que o fóton carrega uma parte da quantidade de movimento do próton). Na segunda etapa, o outro elétron absorve esse fóton, com o impacto ele também muda de direção. 

Hoje em dia imaginamos todas as interações fundamentais como resultante da troca de partículas elementares. Isto faz com que haja sempre um agente (no caso do eletromagnetismo, o fóton) mediador da interação. Os agentes mediadores são sempre partículas elementares. Assim, as partículas que interagem entre si nunca se tocam. A ação se dá à distância. Às partículas que fazem essa intermediação damos o nome de bosons intermediários. A particula conhecida como w é uma delas.

A colisão entre um fóton e outras partículas ocorre com muita freqüência no nosso mundo físico. Para essas colisões valem as mesmas regras das colisões usuais, no sentido da conservação da energia e da quantidade do movimento. Um dos efeitos mais notáveis é o efeito compton. Nesse efeito o resultado que se observa é a colisão de um fóton com um elétron em repouso.

Dependendo da energia do fóton e do sistema com o qual ele colide, podemos ter um número muito grande de possibilidades. Uma possibilidade é o fóton (ou os fótons) ser absorvido no processo de colisão. Nesse caso, sua energia e quantidade de movimento são integralmente transferidas para a outra partícula. Eventualmente, essa partícula pode emitir (posteriormente) outro fóton. Esse posteriormente significa um intervalo de tempo muito curto. Nesse caso dizemos que houve uma colisão elástica. No efeito compton, já mencionado, a colisão é elástica.

Se o fóton tiver uma energia muito alta, outra série de coisas pode acontecer. Por exemplo, se o fóton tiver uma energia maior do que duas vezes a energia de repouso do elétron ( ) o fóton pode desaparecer e produzir duas partículas (o elétron e a sua antipartícula, o pósitron). A esse processo damos o nome de produção de pares.

Se sua energia for extremamente alta, ele pode arrebentar um próton em vários pedaços, produzindo uma gama muito grande de partículas.

O método, de quebrar o próton em pedaços, se transformou nos últimos anos no melhor método de investigação da estrutura da matéria. A idéia é a seguinte: aceleramos prótons a energias muito altas (produzimos um feixe de prótons) e fazemos essas partículas colidirem com outros prótons. O ideal é termos um outro feixe vindo na "contramão" (isto é, na direção oposta).

Do início do universo até hoje

Os cientistas imaginam, aqueles que confiam na Teoria do Big Bang para descrever o início do Universo, que os fótons existem desde a origem do Universo. Isso porque, nessa teoria, proposta em 1943 por Alpher, Bethe e Gamow, o Universo primordial (o Universo nos seus primeiros instantes) seria basicamente composto por uma sopa de partículas. Dentre essas partículas, lá estavam os fótons.

Seguindo o raciocínio de um Universo composto apenas pelas "substâncias básicas", as partículas elementares, o Universo teria evoluído deixando alguns "fósseis" dessa era primitiva. Dentre esses fósseis estariam os fótons. Fótons são, de longe, as partículas mais abundantes no Universo. Estima-se que para cada próton (ou elétron) no Universo existem bilhões de fótons.

Onde estão eles? Estão distribuídos ao longo de todo o Universo. Eles são distribuídos de uma forma bastante homogênea. Isto é, eles são encontrados em igual número numa caixa de que seja aqui na Terra, na Galáxia de Andrômeda ou em qualquer região do Universo. A distribuição de fótons é uniforme e isotrópica (a mesma para qualquer direção que olharmos no Universo).