Por Wislayne Dayanne Pereira da Silva

Nosso cotidiano é marcado pela simplicidade, se comparado com a complexidade das leis que governam o Universo. Quando as observações acontecem em escala subatômica, o simples e o previsível ganham espaço para o estranho e caótico mundo da Mecânica Quântica. O estudo dessa ciência nos levou ao questionamento da nossa atual ideia de compreensão de mundo, fazendo a própria realidade desafiar o senso comum. [Para ler um de nossos artigos sobre Física Quântica, clique aqui].

Mas o que a lâmpada elétrica tem a ver com tudo isso? Acredite, a lâmpada foi o início dessa caminhada ao delírio científico.

No final século XIX a Alemanha passava por uma grande e intensa reestruturação, acabara de ser unificada e a corrida pela industrialização estava apenas começando. A nova invenção de Thomas Edison, a lâmpada elétrica, rapidamente se tornou alvo das várias empresas de engenharia recém fundadas.

O invento de Edison possui a capacidade de produzir uma iluminação durável a partir da corrente que atravessa um filamento de carbono dentro de um bulbo de vidro vazio ou imerso em algum gás inerte. Os grandes empresários sabiam que esse dispositivo era um símbolo otimista para o progresso, e poderia render muitos lucros com a iluminação das ruas do novo império alemão. Com o objetivo de padronizar a qualidade das lâmpadas, os físicos se interessaram pelo estudo dos fenômenos em que os corpos aquecidos emitem radiação na forma de luz. Assim, paralelo à corrida industrial, iniciava-se, também, uma grande revolução científica conhecida como Mecânica Quântica.

A natureza da luz apresentava uma característica curiosa: quando aquecidos pela ação da eletricidade, os filamentos contidos no interior da lâmpada acendiam, mudando de cor. Mas a explicação ainda era uma grande incógnita. Esse fenômeno não podia ser explicado pela Física Clássica ou Newtoniana, pois estava relacionado ao entendimento dos constituintes básicos da matéria em nível atômico e subatômico e, dessa forma, as leis conhecidas não eram mais suficientes.

As leis da Física Clássica supõem que quando um corpo se aquece, a radiação em forma de energia aumenta, ocorrendo a transformação de energia térmica em energia luminosa. Então, conforme se aumenta a temperatura, mais energia é emitida, até atingir a radiação ultravioleta, não mais visível ao olho humano. Essa teoria, entretanto, não pode ser confirmada experimentalmente, pois o material aquecido sempre permanece visível.

Uma série de pesquisas foram iniciadas a fim de solucionar essa contradição. Em 1900, o físico alemão Max Planck propôs uma teoria para explicar a mudança de cor do filamento da lâmpada com o aumento da temperatura. Para que isso fosse possível, o físico, juntamente com sua equipe, desenvolveu um recipiente capaz de suportar temperaturas muito precisas, acoplado com um equipamento de medição de cor ou a frequência da luz produzida.

A partir de uma série de experimentos, foi observado que, ao aumentar a temperatura, as cores sofriam variações. Por exemplo, a 841ºC, a luz é vermelha alaranjada, a 2000ºC a luz é mais intensa e branca avermelhada, quase sem a presença da cor azul. Avançando ainda mais, percebeu-se que a luz ultravioleta quase não se produz, esse fenômeno ficou conhecido como “catástrofe ultravioleta”.

Mas qual o motivo para o azul ser tão difícil de ser alcançado? Planck mais uma vez tomou a frente na solução, assumindo que a radiação não era emitida continuamente, mas por pacotes descontínuos de energia, conhecidos como quantum, que significa quantidade em latim. A energia total é um múltiplo dessa quantidade. Assim, foi formulada a Lei de Planck, um vínculo matemático sólido entre a cor e a luz, na qual a energia de radiação é o produto da constante relacionada a energia total – mais tarde conhecida como “Constante de Planck” – com a frequência da radiação.

Na mesma época, os grandes cientistas trabalhavam no entendimento do funcionamento da transmissão das ondas de rádio recentemente descobertas. As pesquisas eram feitas com o auxílio de discos giratórios, capazes de gerar altas tensões e produzir faíscas entre duas esferas de metal. Quando uma luz era incidida sobre as esferas, as faíscas saíam rapidamente. Isso significa que existe uma conexão entre a luz e a eletricidade, e o mais surpreendente é que essa conexão não é com luz vermelha, e sim com a luz azul e ultravioleta. Esse fenômeno ficou conhecido como efeito fotoelétrico.

A frágil luz ultravioleta conseguia produzir em segundos o que a intensa luz vermelha não era capaz. Em 1905, Albert Einstein desvendou o enigma fazendo uso da Constante de Planck. Segundo o cientista, cada partícula de luz vermelha possui frequência baixa e, consequentemente, possui pouca energia. Já as ultravioletas são luzes de alta frequência com pequenos comprimentos de onda, logo, apresenta grande quantidade de energia.

Para Einstein, a Luz deveria ser entendida como um fluxo de partículas e não mais como uma onda. Cada partícula, conhecida como fóton, transmite sua energia para um elétron e, se a energia for suficiente, o elétron será deslocado. No caso, os fótons de luz ultravioleta têm maior frequência, portanto, maior energia que os de luz vermelha. Assim, estava explicado o efeito fotoelétrico. Não importa a quantidade de luz vermelha incidente sobre o metal, apenas a luz ultravioleta possui forças para deslocar elétrons. Da mesma forma, na catástrofe ultravioleta, a lâmpada não alcançava a luz azul e ultravioleta devido a grande quantidade de energia requerida.

A curiosidade e o desejo por solucionar os grandes enigmas do desconhecido são o motor do desenvolvimento científico. A compreensão do incrível e inovador objeto do século XIX motivou diversas pesquisas, impulsionando muitos cientistas na busca do entendimento do fenômeno em torno da luz produzida e das possibilidades do seu uso para os diversos campos da Ciência. Eles não apenas alcançaram o objetivo esperado, como conseguiram descobrir e desvendar os mistérios mais profundos da matéria, dando início ao entendimento do confuso mundo da Física Quântica.

Referências: 

A Revolução da Física Quântica. W.D.P da Silva. Disponível em: http://jornalpet.ee.ufcg.edu.br/materias/ed67art1. Acesso em: 24 de outubro de 2016.

Max Planck: originator of quantum theory. Disponível em: http://m.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Max_Planck_Originator_of_quantum_theory. Acesso em: 24 de outubro de 2016.

Como a lâmpada elétrica provocou uma revolução cientifica e se tornou um pesadelo para Albert Einstein. J. Al-Khalili. Disponível em: http://www.bbc.com/portuguese/geral-37558440#orb-banner. Acesso em: 24 de outubro de 2016.

Important Scientists. Disponível em: http://www.physicsoftheuniverse.com/scientists_planck.html. Acesso em: 24 de outubro de 2016.

Planck constant. Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Planck_constant. Acesso em: 24 de outubro de 2016.