311601 - FISICA
Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 31, n. 1, 1601 (2009) w.sbfisica.org.br
Historia da Fısica e Ciencias Afins
A teoria da luz de Newton nos textos de Young (Newton's theory of light in Young's texts)
Centro Federal de Educacao Tecnologica de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil Recebido em 21/9/2008; Aceito em 17/1/2008; Publicado em 30/4/2009
A concepcao de Newton sobre a luz tem sido alvo de controversia. Alguns autores consideram sua teoria puramente corpuscular; outros, influenciados pelos textos de Young, defendem que ela seria uma combinacao de elementos corpusculares e ondulatorios. A analise do texto desses autores realizada no presente trabalho permite concluir que a versao segundo a qual Newton defenderia uma teoria da luz parcialmente ondulatoria seria uma construcao a posteriori, devida em grande parte a Young, e nao o contrario, ou seja, a interpretacao segundo a qual Newton sustentaria uma teoria puramente corpuscular estaria em maior conformidade com seus textos originais. Palavras-chave: teoria ondulatoria da luz, optica, Newton, Young, ensino de ciencias.
Newton's conception of light has been a controversy matter. Some authors consider his theory as a purely corpuscular one; others, influenced by Young's texts, argue that it would be a combination of corpuscular and undulation elements. The analysis of these authors texts realized in this work allow us to conclude that the version according to which Newton argues a partially undulation theory of light would be a posteriori construction, due in large manner to Young, and not the opposite, i.e., the interpretation that Newton sustains a purely corpuscular theory would be in better conformity with their original texts. Keywords: wave theory of light, optics, Newton, Young, science education.
O objetivo deste trabalho e analisar a discussao feita por Thomas Young (1773-1829) em seus textos de optica sobre uma possıvel presenca, na teoria da luz de Newton (1642-1727), de alguns aspectos ondulatorios.
Ha muito, a concepcao de Newton sobre a luz e alvo de controversia. Tradicionalmente, ele e apontado como defensor de uma teoria puramente corpuscular; outros, porem, invocando principalmente o testemunho de Young, atribuem-lhe uma teoria complexa, envolvendo tambem caracterısticas ondulatorias. A comparacao dos textos desses dois pesquisadores sugere uma interpretacao alternativa. Cada qual em sua epoca, sabe-se que ambos passaram por uma situacao de contestacao da comunidade cientıfica. Assim, precisaram contemporizar com a posicao antagonica de adversarios de reputacao bem estabelecida, acarretando algumas dificuldades para a compreensao futura de suas obras.
Em 1672, Isaac Newton, entao com 29 anos, publicou o primeiro artigo de sua carreira, que tratava de uma teoria sobre a luz e as cores [1]. O artigo foi recebido com crıticas por John Flamsteed (1646-1719), Christiaan Huygens (1629-1695) e Robert Hooke (1635-
1703). Entre os crıticos, Hooke foi o mais severo. Ele sustentava que a luz seria constituıda por pulsos de pequena amplitude propagando-se em um meio material e que haveria somente duas cores basicas, o vermelho e o azul, ou seja, os extremos do espectro visıvel. As cores intermediarias seriam devidas a distorcoes causadas nesses pulsos durante as refracoes. Hooke entao acusou Newton de defender uma teoria corpuscular, portanto em oposicao aquela que ele partilhava, supostamente embasada em dados empıricos incontestaveis. Newton, em sua resposta, reconhece entao que o movimento ondulatorio seria igualmente importante em ambas, mas nao da mesma forma.
Em 1800, Young era um jovem medico de 27 anos que se dedicava a estudos de optica e ousava discordar de Newton. Talvez por esse motivo, em seu texto de 1801, ele argumenta que sua teoria nao era incompatıvel com a do grande fısico, citando ora passagens em que Newton se defende das crıticas de Hooke, ora trechos escolhidos de sua Optica. Curiosamente, a situacao aqui ficou invertida: enquanto o jovem Newton, apesar de defender a corporeidade da luz, buscava evitar o embate direto com Hooke; Young, apesar de defender uma teoria "vibracional", na medida do possıvel evitava se
1E-mail: fabiow@des.cefetmg.br.
contrapor a Newton.
A utilizacao por Young do trabalho de Newton torna difıcil distinguir o que e devido a um e a outro. Uma interpretacao e que Newton nao fosse tao inflexıvel em sua visao corpuscular [2], chegando-se as vezes a lhe atribuir determinacoes precisas de comprimentos de onda na decomposicao espectral da luz branca, ou a observacao de efeitos ondulatorios, como os aneis de Newton, em uma combinacao das teorias corpuscular e ondulatoria que lembraria um pouco a atual teoria quantica [3].
Propomos demonstrar que, apesar de na epoca de
Newton a descricao ondulatoria da luz nao dispensar a presenca de corpusculos para a sua propagacao, e a descricao mecanica nao eliminar a geracao de ondas pelos corpusculos, essas teorias conservaram suas especificidades, e algumas passagens de Newton foram usadas de forma retorica por Young, induzindo o leitor a conclusoes opostas as intencoes do texto original. Para isso, vamos iniciar com os argumentos contidos nos textos de Young, principalmente a Bakerian Lecture de 1801 [4], Notas de Aula Sobre Filosofia Natural e Experimental, de 1802 [5], e o artigo da Philosophical Transactions de 1804 [6], para, em seguida, compara-los com as mesmas obras que ele cita, ou seja, a Optica [7], de 1704, e a resposta de Newton a Hooke, publicada nos Philosophical Transactions de 1672 [8].
2. Os argumentos de Young ao invocar Newton
Young tem um estilo elegante e envolvente. Ele comeca o texto de 1801 [4] estabelecendo a distincao entre hipoteses e princıpios: enquanto aquelas teriam pouco uso na promocao do conhecimento natural, esses, ao permitir a reducao de um grande numero de fenomenos aparentemente heterogeneos a leis coerentes e universais, seriam de consideravel importancia para o aprimoramento do intelecto humano. Assim como Newton, ele tambem nao faz hipoteses.
No segundo paragrafo, afirma que seu objetivo nao e propor nenhuma opiniao absolutamente nova, nem sera necessario produzir nenhum novo experimento. Com isso, reduz drasticamente a possibilidade de crıticas que lhe poderiam ser imputadas, pois, se nao e responsavel por nenhuma criacao nova, nada de novo podera ser criticado.
O terceiro paragrafo nao permite qualquer duvida acerca de suas intencoes: "As observacoes opticas de Newton sao ainda sem rival e, exceto em algumas imprecisoes casuais, elas apenas crescem em nossa estimativa, quando as comparamos com as tentativas posteriores para melhora-las" [4, p.12]. Assim, ao mesmo tempo que presta homenagem ao grande genio, faz referencia a qualidade de suas observacoes. Particularmente, serao mencionadas as observacoes relativas ao aparecimento de cores em placas finas e suas respecti- vas medidas, correspondentes aos fenomenos hoje conhecidos como "aneis de Newton".
No quarto paragrafo, Young afirma que o exame cuidadoso dos diversos escritos de Newton mostrou-lhe que teria sido o proprio grande cientista o primeiro a sugerir o tipo de teoria que ora tenta defender, que suas opinioes estariam menos distantes das de Newton do que e hoje universalmente suposto, e que uma variedade de argumentos propostos, que poderiam refuta-lo, sao encontrados em uma forma muito semelhante nos trabalhos do grande cientista.
Nas secoes seguintes, Young procura demonstrar os principais pontos de coincidencia entre a teoria que esta propondo e algumas passagens selecionadas da obra de Newton. Young apresenta entao 4 hipoteses, 9 proposicoes e alguns corolarios.
A hipotese I refere-se a possibilidade de existencia de um eter luminıfero, altamente raro e elastico, que preencheria o universo. Esse eter seria susceptıvel de propagar vibracoes produzidas pelos corpusculos de luz, comunicando calor aos corpos, etc. Uma teoria ondulatoria, na forma como se concebia naquela epoca, nao poderia prescindir de um meio de propagacao. Portanto, e necessario aduzir argumentos que sustentem pelo menos a possibilidade de sua existencia. Para isso, ele cita: (a) um trecho da resposta a Hooke, de 1672, em que Newton afirma serem as vibracoes do eter igualmente uteis nas teorias de ambos; (b) outro de 1675, em que reafirma o eter; (c) a questao 18 da Optica, que discute a transmissao de vibracoes atraves desse meio, inclusive excitadas pela luz, mas nao a propria luz.
A hipotese I afirma que ondulacoes seriam produzidas no eter, quando um corpo se torna luminoso. Seguese entao a diferenca entre ondulacoes e vibracoes: a vibracao seria entendida como um movimento continuamente alternado para frente e para tras; a ondulacao seria transmitida atraves de diferentes partes do meio, sem qualquer tendencia de cada partıcula para continuar seu movimento. Percebe-se aqui certa afinidade com a teoria de Huygens de propagacao de pulso, sem oscilar, de um corpusculo a outro [9]. Quanto as passagens de Newton, Young repete a possibilidade de excitacao de criacao de ondas a partir do choque de partıculas de luz, propostas por Newton na publicacao de 1675, e novamente as questoes 17 e 18 da Optica. Em particular, ao transcrever parte da questao 18, que trata da transmissao de calor no eter por meio de vibracoes excitadas pela luz, Young omite qualquer referencia ao calor, deixando ao leitor a possibilidade de supor que se tratasse da propria luz.
A hipotese I trata da sensacao de diferentes cores como uma consequencia de diferentes frequencias de vibracao excitadas na retina pela luz. Esse e um ponto importante, pois uma leitura apressada da obra de Newton poderia confundir o mecanismo de percepcao da luz na retina, e de transmissao das vibracoes geradas "atraves das fibras do nervo otico ate o cerebro", com
A teoria da luz de Newton nos textos de Young 1601-3 o mecanismo de transmissao da luz propriamente dita. Aı aparecem citacoes do texto de 1672 e das questoes 13, 14 e 16 da Optica. Essas questoes repetem parte das explicacoes fornecidas na analise do Axioma VII, Livro I, Parte 1, da Optica, que contem, inclusive, um esquema do olho humano e da trajetoria dos raios luminosos, incidindo na pupila e sendo convergidos pelo cristalino sobre a retina. Entretanto, ao comparar a natureza da luz e a natureza das excitacoes produzidas no organismo humano pela luz, mais uma vez Young nao cita a diferenca entre elas. Acompanhando a Optica de Newton, ele admite que o movimento produzido na retina pela luz, ou pela pressao dos dedos, tem uma natureza distinta da propria luz. Apesar disso, enquanto Newton discute as vibracoes produzidas na retina pelos corpusculos de luz, Young conclui a secao apresentando um escolio no qual compara as vibracoes da retina com as ondulacoes da luz propriamente ditas.
Young denomina essas tres primeiras hipoteses de essenciais e afirma que elas sao literalmente parte do sistema newtoniano, ou seja, existe um eter, ele e capaz de propagar ondulacoes e as diferentes cores resultariam de diferentes frequencias de vibracao excitadas pela luz.
Para sua quarta e ultima hipotese, contudo, Young admite uma oposicao diametral a teoria de Newton, suavizada pela afirmacao de que ambas seriam igualmente provaveis, e a oposicao meramente acidental, restando somente investigar qual a mais adequada para explicar os fenomenos. Justifica ainda tratar-se de uma hipotese nao fundamental, apenas a mais simples que lhe ocorreu [4, p.21]: "Todos os corpos materiais tem uma atracao pelo meio etereo, atraves da qual a sua substancia [do eter] e acumulada dentro deles e a uma pequena distancia em torno deles [dos corpos materiais], em um estado de maior densidade, mas nao de maior elasticidade". De fato, essa e uma diferenca mais grave do que ele quer admitir. Na Questao 28, Newton afirma categoricamente, diversas vezes, que o firmamento e destituıdo de qualquer materia perceptıvel e, ao rejeitar um meio fluido de propagacao, rejeita igualmente a possibilidade de pressao ou movimento transmitido atraves desse meio. Alem disso, Young estaria substituindo o espaco homogeneo e isotropico de Newton por um eter de densidade variavel, necessario para explicar algumas propriedades do comportamento ondulatorio da luz, na forma como ele a concebeu.
Apos a apresentacao das hipoteses, vem as proposicoes. Como se trata de uma teoria ondulatoria mecanica, mais uma vez recorre aos escritos de Newton, que tem muito a contribuir para atestar a validade das afirmacoes de Young, seja por meio de observacoes e calculos, seja por aplicacoes dos princıpios newtonianos. Por exemplo, cita-se a proposicao I: "em um meio homogeneo elastico, todos os impulsos sao propagados com a mesma velocidade" [4, p. 2]. Em seguida, as observacoes de Newton acerca da propagacao do som no ar vem corroborar essa afirmacao.
Contudo, e inevitavel que aparecam divergencias.
Esses pontos correspondem exatamente as diferentes consequencias extraıdas de uma teoria corpuscular e de uma teoria ondulatoria da luz. Por exemplo, Young reproduz uma passagem em que Newton recusa a possibilidade da propagacao retilınea de ondas ou de vibracoes em qualquer fluido [4, p. 27]:
Para mim, a propria suposicao fundamental parece impossıvel, ou seja, que as ondas ou vibracoes de qualquer fluido possam, como os raios de luz, ser propagadas em linha reta, sem um contınuo e extravagante espalhamento e curvatura em todas as direcoes no meio inativo, onde elas sao limitadas por ele.
Essa objecao de Newton a teoria ondulatoria, alem de extremamente clara, e complementada na pagina seguinte pela citacao da questao 28 da Optica, "Pois nunca se soube de a luz seguir passagens curvas, nem de se curvar para a sombra." Essa diferenca entre ambos e flagrante, acentuada ao apresentar a Proposicao VIII e seus corolarios, enunciando o Princıpio da Interferencia e as condicoes de interferencia construtiva e destrutiva, sobretudo na proposicao IX, segundo a qual a "luz radiante consiste de ondulacoes do eter luminıfero", ao reconhecer: "E claramente assegurado por Newton que haja ondulacoes, embora ele negue que elas constituam luz."
No que se refere a explicacao dada por Huygens a refracao na calcita, Young reconhece a pag. 45 que, "contrariamente ao que se poderia esperar da precisao e franqueza usuais de Newton, ele pos abaixo uma nova lei para a refracao, sem dar uma razao para rejeitar a de Huygens, a qual Mr. Hauy [1743-1822] julgou mais precisa que a de Newton."
Finalmente, Young comenta que uma analise minuciosa de varias experiencias dos Livros I e II da Optica de Newton exibiriam dificuldades insuperaveis de sua doutrina, o que, alem de desnecessario, seria tedioso e desgastante a enumerar.
No artigo de1804, Young trata mais especificamente de observacoes e medidas relativas a luz. Mais uma vez ele se refere aos trabalhos de Newton, agora nao em apoio das hipoteses e proposicoes que esta apresentando, mas apenas para valer-se das medidas e observacoes realizadas pelo grande cientista. Na secao IV, Young chega a afirmar [6, p.1]:
O experimento de Grimaldi [1618-1663] sobre as franjas curvadas para a sombra, juntamente com diversas outras observacoes dele igualmente importantes, nao foi mencionado por Newton. Aqueles que estao ligados a teoria de Newton da luz, ou as hipoteses de opticos modernos fundadas em pontos de vista ainda mais estreitos, fariam bem em tentar imaginar qualquer coisa parecida com uma explicacao para esses experimentos, derivados de suas proprias doutrinas. Se falharem na tentativa, deveriam conter pelo menos as declaracoes ociosas contra um sistema fundado na precisao de suas aplicacoes a todos esses fatos e a milhares de outros de mesma natureza.
Percebe-se aqui, no mınimo, uma grande mudanca de tom. Nao e mais aquele tımido autor do artigo precedente, que procurava apoio intelectual em Newton, mas um acusador incisivo, capaz de dar bons conselhos aos adversarios de seu sistema. Portanto, se Newton contribuiu para o trabalho de Young, foi com suas medidas e sua mecanica.
Entre os dois artigos de Young ja analisados, e necessario mencionar tambem suas Notas de Aula Sobre Filosofia Natural e Experimental [5], de 1802. Essas Notas, que abordam praticamente toda a ciencia daquele tempo, sao divididas em quatro partes: mecanica, hidrodinamica, fısica e elementos de matematica. A luz e os instrumentos oticos sao tratados nas secoes XI a XV da hidrodinamica, correspondentes aos verbetes 309 a 386. O autor justifica essa disposicao, esclarecendo que, embora o assunto pertenca mais a mecanica, e impossıvel formar um juızo adequado dos meritos comparativos das teorias relativas a sua natureza, sem primeiro se familiarizar com as principais doutrinas dos fluidos elasticos. Afirma tambem que Newton considerava seu proprio sistema incompleto sem um meio etereo.
Dos textos de Young estudados neste trabalho, as
Notas podem ser consideradas as que mais contribuıram para semear confusao a respeito da posicao de Newton. A natureza da luz e discutida nos verbetes 378 a 386, em duas paginas. Young inicia afirmando que, desde o tempo de Empedocles e Aristoteles, os filosofos tem-se dividido a respeito da natureza da luz. Empedocles defenderia um sistema que consideraria a luz como uma emanacao de partıculas separadas; Aristoteles, um impulso transmitido atraves das partıculas sucessivas de um meio contınuo, o que seria sustentado tambem, apos diversas modificacoes, por Descartes, Hooke e Huygens. Depois disso, ele conclui: "Newton tentou combinar as duas teorias, mas, para explicar os fenomenos mais gerais, ele empregou o sistema de Empedocles da emanacao de corpusculos separados"[5, p. 115] A seguir, ele enumera os principais fenomenos relativos a luz, acompanhados por dois tipos de explicacoes, pelo sistema de Newton e pela teoria recentemente submetida a Royal Society. Nao revela que a teoria recente e dele mesmo, mas isso fica implıcito. Entao, como seria de esperar, sao mencionadas a propagacao retilınea, a velocidade uniforme em um meio homogeneo, a relacao entre os angulos de incidencia, reflexao e refracao etc.
No verbete 384, relativo a reflexao parcial da luz em todas as superfıcies refratoras, afirma que Newton teria suposto que elas "surgem de certos atrasos periodicos dos raios, por meio de ondulacoes propagadas em todos os casos pelos corpos luminosos nos meios elasticos." O ultimo verbete, o 386, toca um dos pontos delicados da teoria de Newton, as cores em placas finas e espessas, "relatadas por Newton como efeitos muito complicados de um meio ondulante sobre os corpusculos de luz, mas sem conseguir acomodar as medidas obtidas por ele mesmo em seus experimentos precisos e elegantes."
3. A resposta de Newton as crıticas de Hooke
Como foi visto na secao anterior, de acordo com Young, a resposta de Newton a Hooke conteria, supostamente, uma abertura para a teoria ondulatoria.
nao como uma suposicao fundamental "[8, p. 5086]
Ao contestar as crıticas recebidas, Newton admitiu que considerava a luz um corpusculo, mas como consequencia da teoria, nao uma hipotese: "E verdade que, em minha teoria, defendo a corporeidade da luz; mas eu o faco sem uma certeza absoluta, como a palavra talvez da a entender; e o faco como nao mais que uma consequencia muito plausıvel da teoria, Esse trecho, habitualmente considerado uma flexibilidade [2, p. 37] a respeito da corporeidade da luz, e apenas a reafirmacao da linha de argumentacao adotada por Newton em toda a sua obra, diversas vezes, em varios contextos: "nao faco hipoteses". Ao expor o atributo como uma consequencia da analise, apoiada em evidencias, ele o estaria reforcando, nao flexibilizando. Nesse ponto, "Hooke e Newton tinham uma abordagem muito semelhante e perfeitamente moderna, baseada em observacoes e experimentos, para compreender os fenomenos naturais" [10]. Portanto, se houver uma aproximacao possıvel entre ambos, ela e do tipo metodologico, nao conceitual.
Mais a frente, Newton continua "Eu sabia que as propriedades da luz declaradas por mim eram, de certa forma, capazes de ser explicadas nao apenas por essa, mas por muitas outras hipoteses mecanicas. Assim, optei por declinar de todas elas, e falar da luz em termos gerais, considerando-a abstratamente..." [8, p. 5086]. E interessante notar que ele se refere a hipoteses mecanicas, de acordo com o modelo de ciencia praticado na epoca, mas nesse ponto tambem nao inclui, ao contrario, exclui mais uma vez a possibilidade de falar em hipoteses.
No paragrafo seguinte, Newton discute algumas consequencias do que poderia ocorrer se a hipotese de Hooke fosse admitida: "Mas supondo que eu tenha proposto essa hipotese, (...) ela teria uma afinidade muito maior com a propria hipotese dele do que ele parece consciente; as vibracoes do eter sao tao uteis e necessarias nesta quanto na dele. Assim, admitindo que os raios de luz sejam corpos pequenos, emitidos