Maior erro da história da física

Hoje acreditamos que todas as partículas, de quarks maciços a fótons sem massa, têm uma natureza dupla de partícula / onda. Centenas de anos atrás, as pessoas consideravam apenas partículas. Mas em 1818, as ondas estavam destinadas a fazer um retorno triunfante com base em estudos da natureza da luz.

Todos nós amamos nossas idéias mais valiosas sobre a estrutura do mundo e do universo. Nosso conceito de realidade geralmente está intrinsecamente ligado à nossa auto-imagem. Mas ser cientista significa estar pronto para questionar todas essas idéias a cada teste. Apenas uma observação, medida ou experimento que contradiz a teoria é suficiente para reconsiderar ou abandonar completamente nossa compreensão da realidade. Se conseguirmos reproduzir esse teste científico e mostrar convincentemente que ele não coincide com a teoria predominante, estamos lançando os fundamentos da revolução científica. Mas se alguém não quiser sujeitar a teoria ou suposições a verificações, ele pode estar cometendo o maior erro da história da física.


Os Princípios Matemáticos da Filosofia Natural (lat. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) por Isaac Newton, terceira edição, 1726. Os tratados de Newton sobre tópicos como mecânica, gravidade e luz tornaram-se o fundamento de grande parte da física moderna.

A natureza humana requer heróis: pessoas a quem seguimos, a quem admiramos, a quem nos esforçamos para se tornar. O maior herói da física por muitos séculos foi Isaac Newton. Newton foi um pilar das realizações científicas da humanidade. Sua teoria da gravitação universal descreveu muito bem tudo, desde o movimento de cometas, planetas e luas até antes da queda de objetos na Terra. Sua descrição do movimento dos objetos, incluindo as leis do movimento e a influência das forças e acelerações sobre eles, permanece verdadeira em quase qualquer ambiente, até hoje. Discutir com Newton era estúpido.

Portanto, no início do século XIX, o jovem cientista francês Augustin Jean Fresnel teve que entender que estava embarcando em uma aventura.


O comportamento da luz branca que passa através de um prisma demonstra como, em uma luz média, energias diferentes se move em velocidades diferentes, ao contrário do vácuo. Newton foi o primeiro a explicar reflexão, refração, absorção e transmissão de luz, bem como a capacidade da luz branca de se dividir em várias cores.

Embora hoje seja menos conhecido que seus méritos em mecânica ou gravidade, Newton também foi um dos primeiros cientistas a explicar como a luz funciona. Ele explicou o reflexo, a refração, a absorção e a transmissão da luz, bem como como a cor branca consiste em cores diferentes. Movendo-se do ar para a água e vice-versa, os raios de luz se curvam e um componente refletido aparece em cada superfície e um componente que passou.

Sua teoria corpuscular da luz era baseada em partículas, e a idéia de que um raio é luz era consistente com uma ampla gama de experimentos. Embora na época de Newton houvesse uma teoria das ondas de luz, apresentada por Christian Huygens , ela não sabia explicar os experimentos com prismas. Como resultado, a Newton Opticks se tornou a vencedora, assim como sua mecânica com a gravidade.


As propriedades das ondas da luz começaram a ser compreendidas ainda melhor graças às experiências de duas fendas de Thomas Young , onde as interferências construtivas e destrutivas foram claramente manifestadas. Esses experimentos para ondas clássicas são conhecidos desde o século XVII; nos anos 1800, Jung mostrou que eles se aplicam à luz.

No entanto, no início do século 19, ela começou a experimentar dificuldades. Thomas Jung conduziu um experimento agora clássico, no qual a luz passava por uma fenda dupla: duas ranhuras estreitas localizadas a uma curta distância uma da outra. E a luz, em vez de se comportar como um corpúsculo, e passar por uma fenda ou por outra, mostrava um padrão de interferência: uma sequência de listras claras e escuras.

Além disso, o padrão das bandas foi determinado por dois parâmetros de experimento sintonizáveis: a distância entre as fendas e a cor da luz. Se a cor vermelha correspondeu à luz de comprimento de onda longo e o azul correspondeu à luz de comprimento de onda curto, então a luz se comportou exatamente como se poderia esperar de uma onda. O experimento de Jung só fazia sentido se a natureza da luz fosse fundamentalmente acenada.


Em um experimento de dois intervalos com luz, os padrões de interferência aparecem, como em qualquer onda. As propriedades de diferentes cores da luz foram estudadas devido à diferença em seus comprimentos de onda.

Mas, ao mesmo tempo, os sucessos de Newton não podiam ser ignorados. A natureza da luz tornou-se um tópico polêmico entre os cientistas no início do século XIX. Em 1818, a Academia Francesa de Ciências anunciou um concurso para explicar a natureza da luz. É uma onda ou uma partícula? Como testá-lo e como confirmar o teste?

Augustin Jean Fresnel participou da competição, apesar de ser um engenheiro civil pela educação, e não um físico ou matemático. Ele formulou uma nova teoria da luz, que era incrivelmente feliz, baseada principalmente no trabalho de Huygens do século XVII e em recentes experiências de Jung. Tudo estava pronto para cometer o maior erro da física.


A iluminação por uma luz coerente (por exemplo, de um laser) de um objeto esférico opaco é uma das maneiras mais claras de verificar a natureza da luz em vez da natureza corpuscular da luz.

Depois de apresentar seu trabalho, um dos juízes, o famoso físico e matemático Simeon Denis Poisson , estudou a teoria de Fresnel com muito cuidado. Se a luz fosse uma partícula, como Newton descreveu, ela simplesmente se moveria em uma linha reta no espaço. Mas se a luz fosse uma onda, ela participaria da interferência e difração quando encontrasse um obstáculo, um espaço ou uma face da superfície. Configurações geométricas diferentes podem fornecer padrões diferentes, mas a imagem geral é preservada.

Poisson imaginou luz de uma única cor: um comprimento de onda na teoria de Fresnel. Imagine que essa luz tenha a forma de um cone e encontre um objeto esférico. Segundo a teoria de Newton, a sombra deve girar, cercada pela luz. Segundo a teoria de Fresnel, como Poisson demonstrou, deveria haver um ponto brilhante no centro da sombra. Essa previsão, como Poisson concluiu, era obviamente absurda.


Uma previsão teórica de como deve ser o padrão de onda da luz em torno de um objeto esférico e opaco. O ponto brilhante no centro era absurdo, forçando muitos a abandonar a teoria das ondas.

Poisson tentou refutar a teoria de Fresnel, mostrando que ela leva a conclusões falsas: evidências do contrário. Poisson queria derivar uma previsão da teoria da luz das ondas, que teria uma conseqüência obviamente absurda, que provaria sua falsidade. Se a previsão foi absurda, a teoria das ondas deve ser falsa. Newton estava certo, Fresnel estava errado, o caso foi encerrado.

No entanto, este é o maior erro da história da física! É impossível tirar conclusões, por mais óbvias que pareçam, sem conduzir um experimento decisivo. A física não é feita com base na elegância, beleza, simplicidade de evidência ou controvérsia. É estabelecido por solicitações à própria natureza - e, portanto, conduzindo experimentos relevantes.


Um modelo de experimento no qual Arago descobriu um ponto brilhante. Às vezes, esse local é chamado de Poisson , mas deve ser glorificado por séculos, como o local de Arago, observando seus esforços que levaram a um experimento real.

Felizmente para Fresnel e a ciência, o chefe do painel de juízes não ficou impressionado com os argumentos de Poisson. François Arago , que mais tarde ficou famoso como político, abolicionista e primeiro ministro da França, tendo se levantado para defender não apenas Fresnel, mas também todo o processo de pesquisa científica, conduziu por si próprio um experimento decisivo. Ele fez um obstáculo esférico e brilhou sobre ele com luz monocromática, verificando a previsão da teoria das ondas sobre interferência construtiva. E bem no centro da sombra era fácil distinguir um ponto brilhante de luz. Embora a previsão da teoria de Fresnel parecesse absurda, a evidência experimental estava pronta para confirmá-la. Absurdo, ou não absurdo - a natureza falou.


O resultado de um experimento usando luz laser fluindo em torno de um objeto esférico e dados ópticos reais.

Um grande erro de um físico pode ser que ele decide que sabe a resposta com antecedência. Seria um erro ainda maior assumir que o experimento não é necessário, porque sua intuição lhe dirá o que acontece na natureza e o que não acontece. Mas a física nem sempre é uma ciência intuitiva e, por esse motivo, devemos sempre recorrer a experimentos, observações e testes mensuráveis ​​de nossas teorias.

Sem essa abordagem, nunca refutaríamos a visão da natureza de Aristóteles. Não teríamos descoberto a Teoria Especial da Relatividade, a mecânica quântica ou a atual teoria da gravidade: a Teoria Geral da Relatividade de Einstein. E provavelmente nunca teríamos descoberto a natureza das ondas da luz.


Animação esquemática de um feixe de luz constante dividido por um prisma. Que a luz é uma onda coincide com e é uma explicação mais profunda do fato de que a luz branca pode ser dividida em cores diferentes

200 anos se passaram desde a época do maior erro da história da física. E o fato de esse erro praticamente não ter efeito em nada aconteceu apenas por causa da sequência científica de François Arago, que não tinha medo de defender o princípio científico mais importante. Devemos responder perguntas sobre o universo, submetendo-o a provações. Afinal, foi o próprio Newton em seu Opticks que escreveu:

Meu objetivo neste livro não é explicar as propriedades da luz com suposições, mas sugeri-las e prová-las com base na razão e na experimentação.

Sem experimentos, nenhuma ciência terá sucesso. A suposição de que podemos olhar para a previsão e declará-la absurda é a nossa maior desvantagem como seres humanos. A natureza pode ou não ser absurda; não depende se está correto ou não. Para fazer tudo certo, você precisa realizar um experimento. Sem isso, você não está envolvido na ciência.

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