Clássicos Astrofísicos: O que Newton realmente descobriu em quarentena?

Título: Of Colours (1665/1666)

Autores: Sir Isaac Newton

Instituição do primeiro autor: Trinity College, Cambridge

Status: Acesso aberto via Projeto Newton; partes publicadas posteriormente em Philosophical Transactions (1671/1672)

Você não precisa fazer uma grande descoberta na quarentena

Isaac Newton fez algumas de suas descobertas mais importantes da física enquanto estava em quarentena durante a peste bubônica, na década de 1660. Enquanto escrevo isso do meu próprio auto-isolamento durante a crise do COVID-19, tenho ouvido muitas pessoas citarem esse fato e proclamarem: “Você pode usar esse tempo em quarentena para desbloquear seu potencial criativo / intelectual também!”

Essas pessoas não mencionam que Newton não tinha uma agenda lotada de reuniões com o Zoom. Ele também não teve que ensinar crianças em casa, dar cursos virtuais ou acompanhar as últimas ideias sobre a pandemia no Twitter. Ele não ficou doente, ou teve que cuidar de entes queridos doentes. Além disso, ele provavelmente tinha outros cuidando de coisas como cozinhar e limpar, sendo um cara branco e rico em 1665.

Não se sinta pressionada a ser um Newton e fazer a próxima grande descoberta durante esse período. Mas, como todo mundo está citando Newton, parece um momento apropriado para investigar a física que ele supostamente descobriu durante o isolamento. Eu diria que aprender sobre o que Newton aprendeu durante a quarentena conta como sua produtividade para o dia. 🙂

Além de ser atingido na cabeça por maçãs e inventar os cálculos diferenciais, Newton passou muito tempo em isolamento brincando com prismas. Estes formaram a base de seu primeiro artigo sobre óptica e, mais tarde, de seu livro Opticks, sobre a natureza fundamental da luz. Como a astronomia se baseia inteiramente na observação da luz (com a exceção muito recente das ondas gravitacionais), isso é o mais clássico possível – Newton cunhou a palavra “espectro”. Então aqui vai uma edição da era da quarentena de nossa série Astrophysical Classics: Newton On Colors.

Newton brinca com prismas

Graças ao Projeto Newton, podemos ver as anotações que Newton fez durante seu tempo isolado. A Figura 1 mostra uma página de seu caderno. Embora bonito de se ver, Newton poderia ter escrito um pouco mais limpo ou usado o Evernote ou algo assim, então o projeto forneceu uma transcrição útil. A seção é intitulada Em cores e consiste em 64 experimentos e observações sobre a luz.

Figura 1: Uma página do caderno de Isaac Newton enquanto ele estava em quarentena em 1665-1666. Imagem via Projeto Newton.

Nos anos 1600, não havia uma imagem clara sobre luz e cor. As pessoas haviam observado que os prismas, pedaços de vidro angulados, transformavam a luz branca em um raio colorido. Uma das hipóteses atuais era que o prisma “corrompeu” a luz branca e produziu cores.

A primeira grande inovação de Newton foi simplesmente incidir a luz colorida em uma folha um pouco mais distante do prisma. Em seu primeiro experimento de prisma em Of Colors, ele segurou o prisma perto de um buraco na parede e deixou a luz do sol passar através do prisma e aterrissar em uma folha de papel (Figura 2). Ele observou que “as cores deveriam estar em um círculo redondo eram todos os raios igualmente refratados”, mas, em vez disso, observou uma forma oblonga (com comprimento maior que a largura) que parecia vermelha em uma extremidade e azul na outra. Isso mostrou que os prismas não apenas criam cores, mas os separam, e que a refração está diretamente relacionada à cor da luz.

Figura 2: O primeiro experimento de Newton com prismas, mostrando a refração da luz. Experiência 7 em Of Colors.

Newton deu um passo adiante em um dos experimentos finais de prisma do caderno. Ele alinhou três prismas e deixou a luz passar por todos eles em uma parede (Figura 3). Nas bordas, ele observou puramente a luz vermelha e a luz azul. No entanto, entre estes, a parede brilhava em branco. Isso significava que as cores “se misturavam” em branco, para que a luz não fosse permanentemente corrompida pelos prismas; ao contrário, a luz colorida de diferentes prismas poderia ser recombinada em luz branca. (Em experimentos posteriores, ele mostrou ainda mais claramente que a luz colorida pode ser recombinada em luz branca passando-a por outro prisma.)

Figura 3: Newton mostra, usando três prismas, que a luz colorida é recombinada para formar luz branca. Experiência 46 em Of Colors.

O experimento crucial (e alguns menos cruciais)

Esses experimentos foram precursores importantes do que é conhecido como Experimentum Crucis de Newton, ou experimento crucial. Isso foi descrito em sua primeira publicação, “Uma Carta do Sr. Isaac Newton … contendo sua Nova Teoria sobre Luz e Cores” em Transações Filosóficas em 1671/1672. Este artigo teve como objetivo mostrar que a cor era uma propriedade da própria luz.

No experimento, mostrado na Figura 4 (diagrama publicado posteriormente na Opticks), Newton deixou a luz do sol passar através de um buraco na parede. Ele colocou um prisma ABC na frente do feixe e depois bloqueou uma pequena quantidade de luz que passava por esse prisma com a placa DE. Depois de deixar esse feixe de luz se espalhar por mais de um metro e meio, ele novamente deixou apenas uma pequena quantidade de luz atravessar a placa de, que passou por um segundo prisma, abc. O feixe final atingiu a parede à esquerda.

Figura 4: o experimento crucial de Newton mostrando que a refração e, portanto, a cor são propriedades da própria luz. Diagrama de Opticks, 1704.

No diagrama, Newton permite que apenas a parte inferior do feixe inicial, a parte mais vermelha do espectro, atravesse o orifício G. Ele termina no ponto M na parede oposta. Newton então gira o prisma ABC. Isso mudou a parte do feixe que caiu no orifício G para ser a parte mais azul; agora a luz azul passa pelo orifício g para o prisma abc. O feixe final agora atingiu o ponto N! A cor inicial da luz determinou claramente o ângulo de refração final – independentemente da espessura dos prismas e do ângulo de incidência. A refração deve-se às propriedades da própria luz. Nas palavras de Newton, “a luz consiste em raios diferentemente refrangíveis”. Ele continua afirmando que isso “não é por nenhuma virtude do vidro, ou por outra causa externa, mas por uma predisposição, que cada raio em particular tem que sofrer um grau específico de refração”.

Na verdade, esse experimento tem uma história bastante complicada, com relação à configuração original e o que exatamente ele deve provar. Mas, juntamente com o trabalho relacionado a Newton, revolucionou nossa compreensão da luz, tudo graças a um prisma de brinquedo que ele comprou em uma feira local.

As anotações de Newton sobre cores durante a quarentena terminam com ele olhando o sol e pressionando uma agulha na parte de trás do olho para tentar entender a visão. (O que há com astrofísicos e feridas autoinfligidas enquanto se isolam?) Então, realmente, não há pressão sobre a coisa de ser um gênio em quarentena.

Adaptado de: Astrophysical Classics: What did Newton actually discover in quarantine?, escrito por Kate Storey-Fisher.

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