30/11/2015

Luz, cor e visão


Em muitos contextos a luz comporta-se como uma onda, mas funciona também como uma partícula, como uma rajada de balas (é assim que funciona uma célula fotoelétrica - cada fotão recebido ejeta um eletrão de uma superfície sensível; muitos fotões geram muitos eletrões, um fluxo de corrente eletrica).
Como pode a luz ser ao mesmo tempo uma onda e uma partícula? Talvez o melhor seja não se pensar na luz como sendo uma onda ou uma partícula, mas outra coisa que não tem correspondência direta no mundo quotidiano das coisas palpáveis, algo que, em certas circunstâncias, partilha das propriedades das ondas e, noutras, de partícula.

As ondas de luz são tridimensionais, têm uma frequência, um comprimento de onda e uma velocidade. Mas, e ao contrário do que acontece com o som, não precisam de um meio para se propagar.
A luz visível - aquela que os olhos humanos são sensíveis -, tem uma frequência muito elevada, cerca de 600 triliões (6x1014) de ondas atingem o globo ocular a cada segundo. 
Do mesmo modo que diferentes frequências de som são percebidos pelos seres humanos como timbres musicais, também diferentes frequências de luz são percebidas como diferentes cores. A luz vermelha tem uma frequência de 460 triliões (4,6 x 1014) de ondas por segundo, a luz violeta cerca de 710 triliões (7,1 x 1014) de ondas por segundo. Entre as duas estão as conhecidas cores do arco-íris. A cada cor corresponde uma frequência.
Da mesma maneira que há sons demasiado agudos e demasiado graves para o ouvido humano, também há frequências de luz ou de cor, que estão fora do âmbito da visão humana.
Os objetos absorvem a luz de diferentes frequências, dependendo da sua química, embora haja algumas frequências, como os raios gama que são absorvidos indiscriminadamente por todos os materiais. Por outro lado, quase todos os materiais são fracos absorventes da luz visível, como é o caso do ar que geralmente é transparente à luz visível. Uma das razões pelas quais vemos a frequências visíveis: é esse o tipo de luz que atravessa a nossa atmosfera até ao sítio onde nos encontramos. A outra razão é que é na luz visível que o Sol põe a maior parte da sua energia.

O Sol, em certos aspetos uma estrela média, emite a maior parte da sua energia na luz visível, e o olho humano, com uma notável precisão, atinge o máximo da sua sensibilidade na exata frequência da parte amarela do espetro em que o Sol é mais brilhante.
A luz solar é composta por uma mistura de ondas com frequências correspondentes a todas as cores do arco-irís. Tem ligeiramente mais luz amarela do que vermelha ou azul, o que é parte da razão porque o Sol parece amarelo.
Todas estas cores incidem, por exemplo, na pétala de uma rosa. Então porque motivo a rosa parece vermelha? Porque todas as outras cores, que não a vermelha, são preferencialmente absorvidas pelo interior da pétala. A mistura de ondas de luz bate na rosa. As ondas são repercutidas desordenadamente abaixo da superfície da pétala. Tal como na onda de água na banheira, depois de cada repercussão a onda fica mais fraca. Mas as ondas azuis e amarelas são, em cada reflexão, absorvidas em maior percentagem do que as vermelhas. Daqui resulta que, ao cabo de muitos balanços no interior da pétala, é refletida mais luz vermelha do que qualquer outra cor.
Há um pigmento orgânico responsável pela absorção da luz em flores como as rosas e as violetas - flores de tão forte coloração que é a cor que lhe dá o nome. Esse pigmento chama-se antocianina. A antocianina típica é vermelha quando colocada num ácido, azul num alcalino e violeta em água. Logo, as rosas são vermelhas porque contêm antiocianina e são ligeiramente acidíferas; as violetas alcalinas.
Os pigmentos azuis são difíceis de encontrar na natureza. A raridade de pedras ou areias azuis na terra e noutros planetas é uma ilustração deste facto. Os pigmentos azuis têm, por força, de ser muito complicados; as antiocianinas são compostas por cerca de 20 átomos, todos eles mais pesados do que o hidrogénio e organizados de um modo específico.

Dispersão da cor por interferência
A luz tem um comprimento de onda ligeiramente inferior a um milionésimo de milimetro. Se uma onda luminosa refletida por duas superfícies separadas por uma distância comparável ao seu comprimento de onda, dá-se o nome de interferência.
Conforme a distância exata entre as superfícies, as cristas e os vales das duas ondas refletidas podem coincidir, reforçando-se mutuamente e originando um reflexo brilhante. Mas também podem estar desfasados, cancelando-se um ao outro e não originando qualquer reflexo. São estes fenómenos - interferência construtiva e destrutiva - que provocam o padrão variável de cores refletido por uma camada de óleo sobre a água. As superfícies superior e inferior do óleo estão separadas por uma distância minúscula mas variável.
Dado que o comprimento de onda da luz corresponde à sua cor (o azul tem um comprimento de onda inferior ao vermelho), algumas cores interferem construtivamente em certas zonas da mancha de óleo, enquanto outras cores são reforçadas noutras partes da camada.

Visões espetrais
Um arco-íris pode parecer um sinal místico que indica que uma tempestade já passou. Mas na realidade é o resultado das propriedades de reflexão e refração das gotas de chuva.
A luz solar contém toda uma gama de comprimentos de onda diferentes - e portanto de cores diferentes. As gotas de chuva refletem e refratam a luz solar, separando-a nestas cores e produzindo um arco-íris.
Conforme  lugar onde um observador se encontre, um arco-íris pode tomar formas diferentes. O mais vulgar é  arco semicircular que se estende de horizonte a horizonte. Mas um piloto a grande altitute pode por vezes ver o círculo completo de que o arco que se vê no solo é apeas uma parte. Por vezes vêem-se dois arco-íris, sendo o principal concêntrico com um segundo, que se vê mais acima no céu. O arco-íris provém de luz solar refletida uma vez em cada gota de chuva antes de emergir, enquanto o segundo arco-íris, mais ténue, se forma a partir de luz que sofreu duas reflexões em cada gotícula.

Visão e cor
Existem semelhanças extraordinárias entre os raios que são focados pelo olho e por uma câmara. Ambos têm lentes e superfícies sensíveis à luz - a película na câmara e na retina posterior do olho. Mas a focagem é feita de maneiras diferentes. A lente de uma câmara limita-se a deslizar para a frente e para trás para produzir imagens focadas de objetos situados a distâncias diferentes.



O olho humano, pelo contrário, tem uma lente com uma posição fixa. Esta não é a única superfície de refração - a córnea transparente e os humores gelatinosos que enchem o olho humano efetuam grande parte da tarefa de concentração da luz. A lente tem uma função de regulação ou acomodação - capacidade de ajustamento para objetos a distâncias diferentes -, que consegue realizar por meio de um anel de músculos que a comprimem ou dilatam, alterando a sua distância focal de modo a que tanto os objetos distantes como os próximos possam ser focados com nitidez.

Correção da presbiopia e da miopia

Nem todos os olhos conseguem efetuar uma acomodação total. Nalguns casos, o globo ocular é demasiado pequeno para conseguir refratar suficientemente a luz de modo a produzir imagens nítidas de objetos próximos. Estas pessoas são presbíoques. Noutros casos, o globo ocular é demasiado alongado ou a córnea é invulgarmente côncava. Isto significa que a luz proveniente de objetos distantes é demasiado refratada para poder ser focada com nitidez na retina. Estas pessoas são míopes. Ambos estes problemas podem ser resolvidos com a ajuda de lentes de vidros externas.
Outros problemas ocorrem quando se formam cataratas - se as lentes ficarem turvas, resultando em cegueira. A cura encontra-se ou na substituição de cada lente turva por uma lente artificial ou por uma proveniente de um dador ou, mais simplesmente e de modo mais económico, pela remoção da lente. Isto significa que o olho refrata menos luz do que devia, tornando-se prebíope. Mais uma vez, isto pode ser compensado pelo uso de óculos potentes.

Reprodução de cor
As células sensíveis à luz que existem na retina humana chamam-se cones e reagem à luz azul, verde ou vermelha enviando impulsos nervosos para o cérebro, os quais são interpretados como cor. As outras cores, para além do vermelho, do verde e do azul, são detetadas como diferentes combinações destas três cores primárias. 
Para reproduzir qualquer cor é, portanto, suficiente misturar em diferentes proporções a luz das cores primárias. Este facto é utilizado na concepção de televisores a cores, cujos ecrãs estão cobertos de pontos de fósforos que emitem apenas luz vermelha, verde ou azul. A cor formada desta forma chama-se aditiva. A cor numa folha impressa é formada de maneira diferente porque as tintas de impressão absorvem diferentes componentes da luz branca (uma mistura de todas as cores) que ilumina a folha. Utilizam-se, portanto, tintas diferentes para absorverem partes diferentes do espectro, refletindo apenas a cor desejada. Este tipo de cor é conhecido por Subtrativa.

Notas
A vegetação absorve luz vermelha e azul, reflete luz verde e, por isso, parece verde. É possível traçar um quadro da quantidade de luz que é refletida na presença das diferentes cores:
  1.  Qualquer coisa que absorve azul e reflita vermelha, parece vermelha;
  2.   Se absorver vermelha e refletir azul, parece azul;
  3.  Se refletir a luz em proporções aproximadamente iguais das diferentes cores é branca. Mas também pode ser preta ou cinzenta - depende da quantidade de luz refletida.
  • A fração de luz incidente que a pele humana reflete (a refletividade) varia muito de individuo para individuo. A pigmentação da pele é produzida principalmente por uma molecula chamada melanina, que o corpo humano fabrica a partir da tirosina, um aminoácido vulgar nas proteínas.


Fontes
A Nova Enciclopédia da Ciência em Movimento, Círculo de Leitores, 1997
Biliões e Biliões, Carl Sagan, Editora Gradiva, 2ª Edição, 1998

Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...