You look down and see a yellow pencil lying on your desk. Your eyes, and then your brain, are collecting all sorts of information about the pencil: its size, color, shape, distance, and more. But, how exactly does this happen? The ancient Greeks were the first to think more or less scientifically about what light is and how vision works. Some Greek philosophers, including Plato and Pythagoras, thought that light originated in our eyes and that vision happened when little, invisible probes were sent to gather information about far-away objects. It took over a thousand years before the Arab scientist, Alhazen, figured out that the old, Greek theory of light couldn't be right. In Alhazen's picture, your eyes don't send out invisible, intelligence-gathering probes, they simply collect the light that falls into them. Alhazen's theory accounts for a fact that the Greek's couldn't easily explain: why it gets dark sometimes. The idea is that very few objects actually emit their own light. The special, light-emitting objects, like the sun or a lightbulb, are known as sources of light. Most of the things we see, like that pencil on your desk, are simply reflecting light from a source rather than producing their own. So, when you look at your pencil, the light that hits your eye actually originated at the sun and has traveled millions of miles across empty space before bouncing off the pencil and into your eye, which is pretty cool when you think about it. But, what exactly is the stuff that is emitted from the sun and how do we see it? Is it a particle, like atoms, or is it a wave, like ripples on the surface of a pond? Scientists in the modern era would spend a couple of hundred years figuring out the answer to this question. Isaac Newton was one of the earliest. Newton believed that light is made up of tiny, atom-like particles, which he called corpuscles. Using this assumption, he was able to explain some properties of light. For example, refraction, which is how a beam of light appears to bend as it passes from air into water. But, in science, even geniuses sometimes get things wrong. In the 19th century, long after Newton died, scientists did a series of experiments that clearly showed that light can't be made up of tiny, atom-like particles. For one thing, two beams of light that cross paths don't interact with each other at all. If light were made of tiny, solid balls, then you would expect that some of the particles from Beam A would crash into some of the particles from Beam B. If that happened, the two particles involved in the collision would bounce off in random directions. But, that doesn't happen. The beams of light pass right through each other as you can check for yourself with two laser pointers and some chalk dust. For another thing, light makes interference patterns. Interference patterns are the complicated undulations that happen when two wave patterns occupy the same space. They can be seen when two objects disturb the surface of a still pond, and also when two point-like sources of light are placed near each other. Only waves make interference patterns, particles don't. And, as a bonus, understanding that light acts like a wave leads naturally to an explanation of what color is and why that pencil looks yellow. So, it's settled then, light is a wave, right? Not so fast! In the 20th century, scientists did experiments that appear to show light acting like a particle. For instance, when you shine light on a metal, the light transfers its energy to the atoms in the metal in discrete packets called quanta. But, we can't just forget about properties like interference, either. So these quanta of light aren't at all like the tiny, hard spheres Newton imagined. This result, that light sometimes behaves like a particle and sometimes behaves like a wave, led to a revolutionary new physics theory called quantum mechanics. So, after all that, let's go back to the question, "What is light?" Well, light isn't really like anything we're used to dealing with in our everyday lives. Sometimes it behaves like a particle and other times it behaves like a wave, but it isn't exactly like either.
Você olha e vê um lápis amarelo em sua escrivaninha. Seus olhos e, em seguida, seu cérebro estão coletando todos os tipos de informação sobre o lápis: tamanho, cor, formato, distância e muito mais. Mas, como isso acontece exatamente? Os gregos antigos foram os primeiros a pensar mais ou menos cientificamente sobre o que é a luz e como a visão funciona. Alguns filósofos gregos, incluindo Platão e Pitágoras, pensavam que a luz se originava em nossos olhos e que a visão acontecia quando pequeninas sondas invisíveis eram enviadas para coletar informação sobre objetos distantes. Levou mais de mil anos antes que o cientista árabe, Alhazen, percebesse que a velha teoria grega da luz não podia estar correta. Na percepção de Alhazen, os olhos não enviam sondas coletoras invisíveis, eles simplesmente captam a luz que recai sobre eles. A teoria de Alhazen esclarece um fato que a teoria dos gregos não conseguia explicar: por que fica escuro às vezes. A ideia é que, na verdade, muito poucos objetos emitem luz própria. Objetos especiais, capazes de emitir luz, como o sol ou uma lâmpada, são conhecidos como fontes de luz. A maioria das coisas que vemos, como aquele lápis em sua escrivaninha, estão simplesmente refletindo a luz de uma fonte, não estão produzindo luz. Assim, quando olha para seu lápis, a luz que atinge seu olho, na verdade, originou-se no sol e viajou milhões de milhas através do espaço vazio antes de ricochetear no lápis e em seu olho, o que é muito legal, quando você pensa nisso. Mas, o que é exatamente essa coisa que é emitida do sol e como a vemos? É uma partícula, como os átomos, ou é uma onda, como as que se formam na superfície de um lago? Os cientistas, na era moderna, levaram algumas centenas de anos imaginando a resposta para esta pergunta. Isaac Newton foi um dos primeiros. Newton acreditava que a luz era feita de minúsculas partículas semelhantes ao átomo, as quais ele chamou de corpúsculos. Usando essa hipótese, ele foi capaz de explicar algumas propriedades da luz. Por exemplo, a refração, que é como um raio de luz parece curvar-se quando passa do ar para a água. Mas, na ciência, mesmo os gênios entendem as coisas errado algumas vezes. No século XIX, muito depois que Newton morreu, os cientistas fizeram uma série de experiências que mostravam claramente que a luz não podia ser feita de pequeninas partículas semelhantes ao átomo. De um lado, dois raios de luz que se cruzam não interagem um com o outro de modo algum. Se a luz fosse feita de minúsculas esferas sólidas, então você poderia esperar que uma das partículas do Raio A colidiria com uma das partículas do Raio B. Se isso acontecesse, as duas partículas envolvidas na colisão quicariam em direções aleatórias. Mas, isso não acontece. Os raios de luz passam direto, um através do outro, como você mesmo pode verificar com dois ponteiros de 'laser' e um pouco de pó de giz. De outro lado, a luz produz padrões de interferência. Padrões de interferência são as complicadas ondulações que acontecem quando dois padrões de onda ocupam o mesmo espaço. Eles podem ser vistos quando dois objetos agitam a superfície imóvel de uma lagoa, e também quando duas fontes de luz em forma de ponto são colocadas perto uma da outra. Somente as ondas produzem padrões de interferência, as partículas não. E, além disso, o entendimento de que a luz age como uma onda leva naturalmente para a explicação do que é a cor e por que aquele lápis é amarelo. Então, está resolvido, a luz é uma onda, certo? Não é bem assim! No século XX, os cientistas fizeram experiências que pareciam demonstrar que a luz agia como uma partícula. Por exemplo, quando você lança luz sobre um metal, a luz transfere sua energia para os átomos no metal em pequenas quantidades chamadas quanta. Mas, também não podemos nos esquecer das propriedades como a interferência. Portanto, esses quanta de luz não são de modo algum como as minúsculas esferas sólidas que Newton imaginou. Esse resultado, que a luz algumas vezes se comporta como uma partícula e outras vezes como uma onda, levou a uma nova e revolucionária teoria da física, chamada mecânica quântica. Assim, depois de tudo isso, vamos voltar à questão: "O que é a luz?" Bem, na verdade, a luz não é como algo com que estamos acostumados a lidar em nossa vida cotidiana. Algumas vezes ela se comporta como uma partícula, outras, como uma onda, mas não é exatamente como nenhuma delas.