AFINAL O QUE A LUZ Vicente Pleitez Instituto

AFINAL, O QUE É A LUZ? Vicente Pleitez Instituto de Física Teórica/UNESP USP/SC 22/11/2005 USPSC

1905: O ANO MIRACULOSO Em carta a Conrad Habicht 18/05/1905: “. . . o artigo trata da radiação e das propriedades energéticas da luz e é muito revolucionário. O segundo artigo é uma determinação dos tamanhos reais dos átomos a partir da difusão e da viscosidade de soluções diluídas de substâncias neutras. O terceiro, baseado na hipótese da teoria [cinética] molecular do calor, prova que corpos da ordem de magnitude de 1/1000 mm, suspensos em líquidos, já devem executar um movimento aleatório observável, produzido pelo movimento térmico; de fato, os fisiologistas observaram movimentos de pequenos corpos inanimados em suspensão, os quais eles chamam de `movimento molecular Browniano´. O quarto artigo, neste momento apenas um rascunho grosseiro, é uma eletrodinâmica de corpos em movimento que emprega uma modificação da teoria do espaço e do tempo; a parte puramente cinemática desse trabalho certamente será de seu interesse” 22/11/2005 USPSC

O quinto artigo Einstein o caracterizou assim: “Também ocorreu-me uma conseqüência complementar do trabalho sobre a eletrodinâmica. O princípio da relatividade, em conjunto com as equações de Maxwell, exige que a massa seja uma medida da energia contida em um corpo; a luz transporta massa com ela. Uma diminuição observável de massa deve ocorrer no caso do rádio. . . ” NOTA: Não há dependência da massa com a velocidade 22/11/2005 USPSC

A NATUREZA DA LUZ NA HISTÓRIA • Natureza da luz e da visão encontram-se misturadas. • Gregos: os objetos emitem “eidolas” que atingem o olho ou o olho emitem “raios” até os objetos. • Aristóteles: A luz não é uma coisa mas um estado do meio. . . a luz não tem substancia nem estrutura • Ibn al-Haytham (Alhazen) c. 965 -1040: Óptica. Câmera Escura. Teoria físico-matemática da visão (geometria de Euclides). A visão é produzida totalmente da luz vindo dos objetos observados. • Da Vinci: o olho é uma câmera escura • Kepler: explica a geometria da câmera escura 22/11/2005 USPSC

NEWTON “. . . presumindo que os raios de luz sejam pequenos corpos, emitidos em todas as direções por substâncias brilhantes. . . devem provocar vibrações no éter, como fazem as pedras na água. . . Os fenômenos das lâminas transparentes finas (anéis de Newton). . . é algo que deixo à consideração daqueles que possam julgar digno. . . Aplicar essa Hipótese à solução (desses) fenômenos” A luz era considerada “partícula” (mas ao mesmo tempo induzia ondas no éter) porque: A idéia do atomismo A propagação retilínea d a luz A invariância da cor da luz após a decomposição espectral 22/11/2005 USPSC

1666 - Newton: Decomposição da luz branca nas cores espectrais 22/11/2005 USPSC

Medidas da Velocidade da Luz • Século XVII: Galileu Galilei (1564 -1642) Distância envolvida: 1 milha ~ 1, 6 km. Experimento não conclusivo. • 1676: Ole Christensen Roemer (1644 -1710) 22/11/2005 USPSC Valor obtido: 75% de c.

Medidas da Velocidade da Luz • 1849: Armand Hyppolyte Louis Fizeau (1819 -1896): Roda dentada. Distância envolvida: 8, 6 km • 1927: Albert Abreham Michelson (1852 -1931): Experimento de Monte Wilson. 22/11/2005 USPSC Distância envolvida: 35 km

Young: a experiência das duas fendas a luz é uma onda Thomas Young 22/11/2005 USPSC

Experiência das duas fendas A luz é uma onda (Fresnel: transversal) mas de quê? 22/11/2005 USPSC

Michael Faraday: o maior cientista experimental de todos os tempos “Linhas de força magnética” : CONCEITO DE CAMPO 1846: A luz não é uma vibração no éter mas movimento de linhas de força 22/11/2005 USPSC

O Eletromagnetismo de Maxwell (1864) A interação eletromagnética não é instantânea à distância l A luz é uma onda eletromagnética l A velocidade da interação eletromagnética é c 299 792 458 m/s l 22/11/2005 USPSC

H. Hertz 1889: confirma as ondas eletromagnéticas (NO ÉTER) 22/11/2005 USPSC

Relatividade e Eletromagnetismo Einstein: há uma assimetria que não parece ser inerente aos fenômenos 22/11/2005 USPSC

A Relatividade Especial (1905) l Princípio da relatividade l Princípio da constância da velocidade da luz 22/11/2005 USPSC

Não é preciso a existência do éter 22/11/2005 USPSC

Kirchhoff FÍSICA QU NTICA Bunsen Balmer Bohr radiação matéria Wien h Einstein Planck Bose de Broglie Heisenberg Schrödinger Mecânica Matricial 22/11/2005 Dirac Mecânica Ondulatória TQC USPSC

1859 Heidelberg É uma tarefa de primordial importância descobrir esta função . Surgem grandes dificuldades no caminho da sua determinação experimental. Todavia, há fundada esperança de que ela tenha uma forma simples, como todas as funções que não dependem das propriedades dos corpos individuais e com as quais já travamos conhecimento no passado G. Kirchhoff Einstein: “Seria edificante se se pudesse pesar a massa cinzenta que foi sacrificada pelos físicos no altar da função de Kirchhoff; e o fim destes cruéis sacrifícios ainda não está à vista” 22/11/2005 USPSC

1900 EUREKA!! E=nh , n=0, 1, 2, . . . A energia é emitida em pacotes 1900 PLANCK “Depois de algumas semanas do mais extenuante trabalho da minha vida, a escuridão saiu e uma visão inesperada começou aparecer” 22/11/2005 USPSC

Planck resolveu o chamado PROBLEMA DO CORPO NEGRO resumido na figura E=h “Quantum de energia” h=6. 58211889(26)x 10 -22 Me. V. s 22/11/2005 USPSC

1918 Planck ganhou o Nobel de física, “em reconhecimento aos seus serviços para o avanço da física e sua descoberta do quantum de energía” O apresentador: Dr. A. G. Ekstrand: “O producto hv, onde v é a freqüência de vibração da radiação, é realmente a quantidade mais pequena de calor que pode ser irradiada à freqüência de vibração v. . a constante h. . . é um fator de proporcionalidade que descreve uma propriedade comum, porém até agora desconhecida, da matéria. ” 22/11/2005 USPSC

Em 1905 Einstein “generalizou” a hipótese de Planck introduzindo o “quantum de luz” Planck “quantizou” apenas a emissão e absorção de radiação pelos átomos Einstein “quantizou” a própria radiação, ou seja, a própria luz “Mesmo que as cervejas sejam vendidas apenas em garrafas não implica que a cerveja exista apenas em quantidades discretas” Nos livros de texto apresenta-se como prova da hipótese do quantum de luz (mais tarde chamado de fóton ): O efeito fotoelétrico (1905) O efeito Compton (1923) (as vezes Planck 1900) X 22/11/2005 USPSC

1889 HERTZ: • A luz é uma onda • O efeito fotoelétrico LUZ ELÉTRON metal As suas características não se explicavam com os conceitos da física clássica (porém. . . ) 22/11/2005 USPSC

Einstein 1905: “Sobre um ponto de vista heurístico da produção e transformação da luz” “. . . Parece-me que as observações da `radiação de corpo negro´, fotoluminescência, produção de raios catódicos por luz ultravioleta e outros fenômenos associados à emissão ou transformação da luz podem ser mais facilmentendidas se admitirmos que a energia da luz é distribuída de forma descontínua no espaço. . . Na propagação de um raio de luz a energia não é continuamente distribuída sobre volumes cada vez maiores de espaço, mas consiste em um número finito de quanta de energia, localizados em pontos do espaço que se movem se dividir e que podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades integrais” 22/11/2005 USPSC

Algumas observações. O trabalho de Einstein NÃO É APENAS sobre o efeito fotoelétrico. Dedica a este apenas uma seção. O resultado principal é sobre a natureza da radiação (luz): o quantum de luz Ninguém ganhou o prêmio Nobel por essa descoberta. Einstein ganhou o prêmio em 1921 "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect" (de Broglie em 1929: “for his discovery of the wave nature of the electrons”) Einstein mostrou que: e freqüências suficientemente altas, a entropia da radiação de corpo negro comporta-se como se a radiação consistisse em um gás de quanta de energia luminífera, cada qual com energia h Com isso explicou vários efeitos, entre eles o efeito fotoelétrico mas também a ionização de gases pela luz ultravioleta (base da fotoquímica), e a fotoluminescência 22/11/2005 USPSC

A HIPÔTESE DO QUANTUM DE LUZ NÃO FOI ACEITA FACILMENTE!! Por quase duas décadas (ou talvez mais) fracassou em convencer a maioria dos físicos da validade de hipótese do quantum de luz. Mesmo quando em 1916 R. Millikan confirmara experimentalmente a equação E=h -P Em 1913, Planck, Nerst, Rubens e Warburg propuseram Einstein para a membro Academia Prusiana de Ciencias: “. . . Podemos dizer que dificilmente há um dos grandes problemas, dos quais a física moderna é tão rica ao qual Einstein não tenha dado uma contribuição. Que ele tenha as vezes errado o alvo, como por exemplo, na sua hipótese dos quantum de luz, não pode ser usado contra ele, dado que é impossível Introduzir novas idéias, mesmo nas ciências mais exatas, sem correr algum tipo de risco. ” Mesmo Millikan em 1916 que confirmou a equação acima não acreditava na teoria de Einstein: “A despeito do aparente completo sucesso da equação de Einstein. . . a teoria física é insustentável pelo próprio Einstein” 22/11/2005 USPSC

1913: modelo atômico de Bohr usa E=h Em 1922 na entrega do prêmio Nobel: “A pesar de seu valor heurístico a hipótese dos quanta de luz levou a um dilema bastante imprevisto, pois qualquer imagem corpuscular seria obviamente irreconciliável com os fenômenos de interferência, . . . que só podem ser descritos em termos de uma imagem ondulatória, . . . a hipótese dos quanta não é capaz de trazer alguma luz obre a natureza da radiação” 22/11/2005 USPSC

1923 EFEITO COMPTON: Fóton 2 Fóton 1 Elétron virtual Elétron 1 Elétron 2 Este efeito convenceu à maioria dos físicos do caráter corpuscular da luz. Mas não ao comitê Nobel. 22/11/2005 USPSC

Em 1927 A. Compton ganhou o prêmio Nobel de Física: “for his discovery of the effect named after him" O apresentador Professor K. M. G. Siegbahn (Nobel de Física 1924): Compton deduziu uma nova classe de teoria corpuscular, com a qual todos os dados experimentais estão em perfeito acordo. . . de acordo com esta teoria o quantum de radiação é reemitido em uma direção definida por apenas um só elétron O efeito Compton foi considerado para o Nobel em 1925 e 1926. Em 1927 o relator do comitê Nobel, Carl Wilhelm Oseen colocou o interesse do referido efeito e “mostra” que não representa uma prova da teoria corpuscular da luz. O efeito era considerado “obsoleto” afinal em 1925 tinha aparecido a nova dinâmica e esse efeito não tinha nada a ver com isso. . . 22/11/2005 USPSC

Em 1924 depois da descoberta do efeito Compton Borh, Kramers e Slater publicaram The Quantum Theory of Radiation, nele rejeitavam a hipótese do quantum de luz, e propunham um esquema onde a conservação de energia era estatística. É possível que a aversão de Borh pelo fóton não parasse por aí Em 1927 na Conferência de Como (Centenário da morte de Volta): “Nossa interpretação dos dados experimentais apóia-se de maneira fundamental nos conceitos clássicos. . . o postulado (do quantum de luz) atribui uma individualidade a todo processo atômico e implica renunciar à coordenação causal dos processos atômicos no espaço e no tempo. . . no que se refere à luz, sua propagação no espaço e no tempo é descrita de maneira satisfatória pela teoria eletromagnética. . . para se ter uma conservação exata da energia. . . é preciso recorrer à idéia do fóton de Einstein. . . esta situação mostra com clareza a impossibilidade de manter uma descrição causal e espaço-temporal dos fenômenos luminosos. . . ” 22/11/2005 USPSC

Em 1925 Einstein da uma palestra no Rio de Janeiro “Remaks on the Present Situation of the Theory of Light” onde comenta o trabalho de BKS. Talvez foi a última vez que Einstein discutiu isso em público: “A despeito dos esforços dos físicos, uma síntese lógica do quantum e da teoria ondulatória tem sido um fracasso até agora. Por essa razão a questão da realidade do quantum corpuscular da luz é muito controverso” Nesse mesmo ano Heisenberg propunha a mecânica matricial 22/11/2005 USPSC

As coisas não forma fáceis mesmo para Einstein. Alguns desconfortos começaram depois de seus trabalhos da emissão espontânea e induzida realizados em 1916 -1917 e que são a base dos raios lasers. No processo da emissão espontânea: “é uma fraqueza da teoria. . . deixar ao acaso o tempo e a direção dos processos elementares”. Ele observa que isso é parecido com o que acontece na radioatividade “O caráter aleatório dos processos espontâneos significava que algo ia mal com a causalidade clássica. Isto deveria perturbá-lo profundamente e para sempre” (A. Pais). “Existem agora, portanto, duas teorias da luz, ambas indispensáveis, e – como temos que admitir hoje, não obstante vinte anos de tremendo esforço por parte dos físicos teóricos – sem qualquer conexão lógica” Em 1951 em carta a M. Besso: “Todos estes 50 anos de meditação não me levaram mais perto de responder à questão. O quê são os quanta de luz? 22/11/2005 USPSC

1926: fóton “Porque parece passar somente uma fração diminuta da sua existência como portador da energia radiante, entanto que o resto do tempo é um elemento da estrutura do átomo. . . Eu tomo a liberdade de propor para este novo tipo de átomo hipotético que não é luz, mas joga um papel importante em todo processo radiativo, o nome de fóton” G. N. Lewis, 1926 22/11/2005 USPSC

Kirchhoff radiação Bunsen Balmer Bohr matéria Wien h Einstein Planck Bose de Broglie Heisenberg Schrödinger Mecânica Matricial 22/11/2005 Dirac Mecânica Ondulatória TQC USPSC

Heisenberg Schördinger Dirac 1927 Teoria Quântica de Campos R. Feynman, J. Schwinger e S. Tomonaga QED 1949 Y. Ne’eman e Y. Kirsh The Particle Hunters: “Em 1965 Feyman, Schwinger e Tomonaga ganharam o prêmio Nobel de Física. Poderiam tê-lo recebido vários antes, porém Niels Bohr via com receio a nova teoria e sua atitude negativa impediu o Comitê Nobel de reconhecer o trabalho daqueles científicos” 22/11/2005 USPSC

Polarização do Vácuo d 22/11/2005 Cortesia da Scientific American Brasil USPSC

22/11/2005 USPSC

Efeito Casimir no Laboratório Ilustração Esfera de 200 -µm de diâmetro a 100 nm de uma superfície plana U. Mohideen e Anushree Roy Phys. Rev. Lett. 81, 4549 (1998) H. B. Chan et al, Phys. Rev. Lett. 87, 211801 (2001) 22/11/2005 Cortesia da Physical Review Focus USPSC

ELECTRODIN MICA QU NTICA: QED Maxwell-Lorentz: teoria relativista Dirac: teoria quântica-relativista: criação e destruição de partículas; partículas virtuais, antipartículas, vácuo “cheio” de partículas virtuais (mar de Dirac). Efeitos observáveis: pósitrons, …, efeito Casimir, deslocamento de Lamb, … 22/11/2005 USPSC

Mecânica quântica relativista Historia espaço-temporal de dois ou mais elétrons 22/11/2005 USPSC

DIFICULDADES! Correções à propagação dos fótons, dos elétrons ou à sua interação (vértices) Induzem resultados … INFINITOS! (1930 -1949) Tomonaga, Schwinger, Feynman e Freeman Dyson. . . 22/11/2005 USPSC

O fator g-2 A teoria de Dirac prediz que uma partícula de espín 1/2 como o elétron tem um fator g=2. O fator “g “ é a razão entre o momento magnético e o momento angular “intrínseco” também chamado “espín”. Qualquer desvio deste valor deve ser explicado como correção quântica (ou a teoria é descartada). Ao fator g-2 chama-se momento magnético anômalo do elétron. 22/11/2005 USPSC

. . . fator g-2 O chamado método (algoritmo) de RENORMALIZAÇÃO permite realizar cálculos teóricos precisos. Por exemplo: (CGS) = 1/137. 03599993. . . Experimentalmente: 22/11/2005 USPSC

Para o muon, ainda não é completamente conhecido. 22/11/2005 USPSC

A luz se mistura com outros bosons em altas energias: Ø A interação eletromagnetica e a interação fraca, responsável pelo decaimento beta (β) nuclear (radioatividade), são descritas pela mesma teoria: o modelo eletrofraco. 22/11/2005 USPSC

Uma simetria também implica UNIDADE Uma escala de energia na qual três das forças teriam a mesma intensidade 22/11/2005 USPSC

Estaria tudo em ordem agora? 22/11/2005 USPSC

O Problema da Gravitação l Como reformular a teoria da gravitação de Newton, de modo a compatibilizar com a Relatividade Especial ? 22/11/2005 USPSC

Teoria da Relatividade Geral Albert Einstein 1879 -1955 22/11/2005 USPSC

Luz e Gravidade “Se não fosse assim, Ele estaria errado. . . ” 22/11/2005 USPSC

Qual será a descrição da luz numa teoria que unifique a relatividade geral com a mecânica quântica? Não sabemos! 22/11/2005 USPSC

Créditos: Fonte das fotografias: http: //www. aip. org/history/esva/ http: //en. wikipedia. org/wiki/Image: Light-wave. png G. Ekspong, The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archive, http: //nobelprize. org/physics/articles/ekspong/index. html A bibliografia completa será colocada em artigo 22/11/2005 USPSC