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Revista Brasileira de Ensino de Física

Print version ISSN 1806-1117On-line version ISSN 1806-9126

Rev. Bras. Ensino Fís. vol.37 no.4 São Paulo Oct./Dec. 2015

http://dx.doi.org/10.1590/S1806-11173731818 

Ano Internacional da Luz

Thomas Young e o resgate da teoria ondulatória da luz: Uma tradução comentada de sua Teoria Sobre Luz e Cores

(Thomas Young and the recovery of the wave theory of light: A commented translation of On the Theory of Light and Colours)

Breno Arsioli Moura1  1 

Sergio Luiz Bragatto Boss2 

1Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Santo André, SP, Brasil

2Centro de Formação de Professores, Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, Amargosa, BA, Brasil


RESUMO

Este artigo contém uma tradução comentada do texto On the theory of light and colours de Thomas Young, publicado nas Philosophical Transactions da Royal Society de Londres em 1802. Com esta tradução, pretendemos, por um lado, discutir a contribuição de Young para o desenvolvimento da teoria ondulatória da luz e, por outro, oferecer subsídios para promover discussões sobre a natureza do conhecimento científico em ambientes de ensino e aprendizagem de ciências.

Palavras-chave: Thomas Young; teoria ondulatória; luz; natureza da ciência

ABSTRACT

This paper contains a commented translation to Portuguese of Thomas Young's On the theory of light and colours, published in the Philosophical Transactions of the Royal Society of London in 1802. With this translation, we intend to discuss the contribution of Young to the development of the wave theory of light and also to offer resources to promote discussions about the nature of scientific knowledge in teaching and learning of Science.

Keywords: Thomas Young; wave theory; light; nature of science

1. Introdução

Thomas Young (1773-1829) é comumente celebrado como o iniciador de uma retomada da teoria ondulatória para a luz no início do Século XIX. Seu conceito de luz como ondas e, principalmente, seu princípio de interferência ilustrado pelo famoso experimento da fenda dupla teriam despertado o interesse pela teoria ondulatória adormecido no século anterior, completamente dominado pela concepção corpuscular da luz de Isaac Newton (1642-1727). O resultado foi o completo abandono desta última e o ressurgimento da primeira, alavancado pelo viés matemático dado por Augustin Fresnel (1788-1827).

O objetivo deste trabalho é problematizar esse episódio, a partir da tradução comentada do artigo Teoria Sobre Luz e Cores de Young, lido em 1801 na Royal Society de Londres e publicado em 1802 nas Philosophical Transactions. O artigo apresentou, pela primeira vez, uma exposição detalhada do pensamento de Young sobre luz e cores, além de uma versão inicial de seu princípio de interferência.2 A tradução comentada busca esclarecer questões relevantes para compreendermos a importância do trabalho de Young no contexto da época em que foi escrito, bem como as estratégias adotadas por ele para incentivar a leitura do artigo por seus coetâneos.

Os trabalhos sobre luz representaram apenas uma parcela de toda a atividade de Young na filosofia natural. Formado médico em 1799, ele foi autodidata em várias áreas - como história natural e cálculo - e lia em latim, grego, francês e italiano. Aos 21 anos, foi eleito membro da Royal Society de Londres, o que facilitou sua indicação como conferencista na Royal Institution, por onde teve uma breve passagem entre 1802 e 1803. Nunca ocupou um cargo em uma universidade. De 1810 até sua morte em 1829, ele teve passagens por outras instituições, ou como médico ou como conferencista, e também foi autor anônimo de diversos artigos biográficos e de textos sobre óptica, mecânica e artes mecânicas para revistas da época [2].

O período que concentra os escritos de Young sobre luz e cores compreende os anos de 1800 e 1807 [1,39]. O interesse no tema provavelmente foi despertado após seus estudos sobre a voz e a visão humanas, que o levou a repensar na analogia entre luz e som, um dos pilares sempre utilizados pelos defensores de uma teoria vibracional ou ondulatória para a luz [10]. O primeiro artigo em que mencionou a natureza da luz foi lido em janeiro de 1800 na Royal Society de Londres e publicado logo em seguida [3]. O texto tratou essencialmente do som, mas uma parte foi dedicada à analogia entre os fenômenos luminosos e sonoros. Fazendo referência a teóricos favoráveis à concepção vibracional antes dele, tais como Christiaan Huygens (1629-1695) e Leonhard Euler (1707-1783), Young afirmou que algumas considerações poderiam ser feitas no sentido de minimizar as críticas à ideia da luz como vibrações no éter, além de dizer que havia dificuldades na teoria corpuscular proposta por Isaac Newton (1642-1727) que tinham chamado pouca atenção. Os aspectos essenciais desses argumentos foram retomados no artigo de 1802 e, por isso, serão analisados ao longo da tradução comentada.

Por sua vez, alguns pontos mais gerais do artigo de 1800 revelam características importantes do trabalho de Young e da época em que começou a discutir a natureza da luz. Logo no início do texto, ele mencionou a grande influência da teoria corpuscular newtoniana ao longo do Século XVIII:

Desde a publicação dos escritos incomparáveis de Sir Isaac Newton, suas doutrinas de emanação de partículas de luz a partir de substâncias lúcidas e da pré-existência formal de raios coloridos na luz branca têm sido quase universalmente aceitas neste país, e pouco combatida em outros. [11]

A afirmação de Young é verdadeira, mas enviesada pelo próprio contexto em que foi escrita. A concepção corpuscular para a luz, defendida implicitamente por Newton, foi amplamente difundida no Século XVIII, angariando adeptos não somente na Grã-Bretanha, mas em outros países do continente europeu. No entanto, ela também foi alvo de críticas e enfrentou sérios problemas conceituais, principalmente a partir da metade desse século [1215]. Embora as críticas tenham diminuído sua invencibilidade, ela era aceita pela maioria dos filósofos naturais no início do Século XIX. Young reconheceu que esse era o contexto em que escrevia seu trabalho.

Dois outros pontos de destaque no artigo de 1800 são sua hipótese de que corpos mais densos atraem mais éter e sua explicação para os anéis coloridos visíveis em bolhas de sabão e em filmes finos de ar. Em relação à primeira, ele a manteve no artigo de 1802 e em outros textos da mesma época, mas a rejeitou nos anos seguintes. Em relação à segunda, ele argumentou que o aparecimento sucessivo de cores de acordo com a espessura da película seria semelhante à produção de diferentes sons em tubos de órgão, o que evidenciava a analogia entre luz e som. No artigo de 1802 e nos trabalhos seguintes, Young trocou essa explicação pelo seu princípio de interferência. Denota-se, assim, uma peculiaridade dos escritos de Young sobre a luz neste período inicial: a mudança frequente de ideias e conceitos. De acordo com o historiador da ciência Geoffrey Cantor, vemos neste momento não o nascimento de uma teoria completa ou um renascimento infalível da concepção ondulatória, mas “vislumbres de um cientista em atividade lutando com um número de problemas espinhosos” [16].

O artigo Teoria Sobre Luz e Cores de 1802 representou um significativo avanço se comparado com o texto de 1800. De forma mais completa, Young tratou especificamente da luz, buscando construir uma argumentação que estivesse respaldada no discurso de figuras conhecidas da filosofia natural - novamente citando nomes como Euler e Newton - e ao mesmo tempo amparada em hipóteses plausíveis sobre a natureza da luz e em proposições derivadas delas.

Young sabia que não era o primeiro a advogar favoravelmente a uma concepção ondulatória para a luz. Huygens3 e Euler, por exemplo, já haviam trabalhado nesta hipótese há mais de cem e cinquenta anos, respectivamente. Não foram os únicos, deve-se ressaltar, embora os dois sejam frequentemente mencionados como heróis isolados em meio a dezenas de defensores do sistema corpuscular de Newton.4

A Teoria Sobre Luz e Cores é composta de quatro hipóteses iniciais e nove proposições. Young reconheceu que não proporia opiniões “absolutamente novas”. Da mesma forma, não viu a necessidade de realizar “um único experimento novo”, pois já existiam muitos para serem estudados. Seu trabalho, portanto, constituiu-se mais de uma releitura teórica de fatos, experimentos e ideias que propriamente da discussão de uma prova crucial a favor da teoria ondulatória. Dois elementos principais permeiam e dividem o texto. O primeiro é seu conceito de éter, compondo parte da argumentação em mais de dois terços do artigo. O segundo, discutido no final, é o princípio da interferência. Diferenciar estes dois elementos e compreendê-los como duas facetas independentes do trabalho de Young é importante para redimensionarmos seu papel no resgate da teoria ondulatória da luz [18].

Até a Teoria Sobre Luz e Cores, Young vinha trabalhando com um modelo de éter que presumia ser constituído de partículas que se repeliam, mas que eram atraídas pela matéria dos corpos. Por conseguinte, corpos mais densos possuíam mais éter. No limiar entre dois corpos de densidades diferentes, não haveria, segundo ele, uma mudança abrupta de densidade de éter; pelo contrário, haveria uma transição gradual, ficando o corpo mais denso rodeado de uma atmosfera etérea [19].

O modelo de éter foi aplicado por Young de maneira sutil ao longo do texto, preenchendo o conteúdo das proposições e dos corolários advindos delas. Um indício de sua validade seria o fenômeno da reflexão e refração parciais quando um raio de luz passa por dois meios de densidades diferentes. Young fez uma analogia com o choque de dois corpos: quando um corpo pequeno se choca com um corpo grande, ele é refletido e parte de seu movimento é transmitido para este último; isso explicaria o fenômeno da reflexão e refração parciais quando uma ondulação luminosa passa de um meio mais rarefeito (com menos éter) para um mais denso (com mais éter).

Por sua vez, quando um corpo grande se choca com um corpo pequeno, algo similar ocorre, pois o corpo grande transfere uma parte de seu movimento, mas continua seu caminho; isso explicaria a reflexão e refração parciais quando uma ondulação luminosa passa de um meio mais denso de éter para um mais rarefeito. Neste último caso, a permanência do éter no meio mais denso seria justificada pela atração deste último pelo corpo, que puxaria as partículas etéreas de volta. Não haveria, assim, um deslocamento de éter. Entretanto, Young não deixou claro como o “tamanho” dos corpos no caso do choque mecânico seria análogo à “densidade” do éter no caso dos fenômenos luminosos. Por essa e por outras inconsistências relacionadas ao seu modelo que serão apontadas na tradução, Young acabou por abandoná-lo a partir de 1803 e aceitou que o éter passava livremente pelos corpos, sem sofrer qualquer tipo de atração [20].

O princípio da interferência, enunciado na Proposição VIII do texto, desempenhou um papel distinto. O princípio - que depois se tornaria uma lei para Young - praticamente era um conceito à parte de sua teoria ondulatória. Embora houvesse uma nítida conexão, Young pareceu ver na interferência um conhecimento novo, que explicava adequadamente o comportamento da luz em determinadas situações. Mais que defender a teoria ondulatória, ele aparentemente quis estabelecer a validade de sua lei, independente de qual fosse a concepção para a luz [21, 22].

No artigo de 1800, Young mencionou o princípio da interferência, mas o associou somente aos efeitos sonoros. Apenas em 1802, em suas Notas de Aula [6], ele aplicou a ideia também para os fenômenos da luz. No artigo do mesmo ano, traduzido aqui, ele colocou explicitamente, pela primeira vez, o princípio como um elemento importante de sua teoria sobre luz e cores. No entanto, a formulação inicial do princípio foi alterada significativamente ao longo dos anos. De forma geral, Young frequentemente lidou com problemas para explicar pontos importantes, gerando várias ambiguidades em suas explicações que usavam o princípio [23].

Com o possível intuito de dar credibilidade aos seus argumentos, Young apoiou-se frequentemente nos escritos de Newton, justamente o mais conhecido algoz da teoria ondulatória. Porém, ele foi hábil em utilizar as citações dos textos newtonianos a benefício próprio, valendo-se principalmente das partes do Óptica (1704) que foram ignoradas pelos seus seguidores do Século XVIII. Newton e Young não compartilhavam das mesmas posturas metodológicas em relação aos fenômenos naturais. O primeiro jamais admitiria o uso de hipóteses em sua filosofia natural. O segundo, contudo, não só admitiu as hipóteses, considerando-as elementos essenciais para corroborar seu raciocínio, como colocou as palavras de Newton para compor seus conteúdos. Por trás disso, havia um debate metodológico que envolveu, entre outros aspectos, o uso ou a negação das hipóteses. O debate emergiu entre o final do Século XVIII e início do Século XIX, e não só Young fez parte, como também outros defensores e objetores da teoria ondulatória para a luz [24].

A Teoria Sobre Luz e Cores tornou-se conhecida dos filósofos naturais, o que era de se esperar, uma vez que havia sido publicada em um dos jornais mais importantes da época, as Philosophical Transactions, e, pouco depois, republicada no Nicholson's Journal.5 Não é possível precisar como foi a recepção do trabalho, mas sabe-se que este e outros textos seus foram citados e revisados nas duas décadas seguintes, o que incluiu algumas críticas tanto à estrutura conceitual da teoria de Young quanto ao seu constante emprego de hipóteses. Em relação ao princípio da interferência, este parece ter passado desapercebido por pelo menos dez anos [25]. Nesse sentido, parece-nos mais adequado afirmar que a Teoria Sobre Luz e Cores não foi ignorada completamente, tampouco vangloriada sem restrições.

Entre as críticas recebidas, a mais incisiva certamente foi escrita por Henry Brougham (1778-1868) no Edinburgh Review em 1803 [26].6 Brougham foi um assíduo defensor de Newton e da teoria corpuscular da luz no circuito escocês, pertencendo a uma escola metodológica que combatia o uso de hipóteses na filosofia natural. Há discordância entre os historiadores da ciência a respeito das motivações de Brougham e da relevância de sua crítica para a rejeição das ideias de Young, mas o sentimento geral é que ela deixou claro que o embate entre a teoria corpuscular e a ondulatória foi além do campo das ideias, perpassando igualmente o campo metodológico [29, 30].

Na revisão, Brougham afirmou que o trabalho de Young estava “destituído de toda espécie de mérito”. Criticou a Royal Society por dar espaço a trabalhos que perigosamente afrontavam os “princípios da lógica física” e reprovou as mudanças frequentes de opinião por parte de Young, afirmando que se ele fosse criticado diria: “Minha opinião está mudada, e eu abandonei aquela hipótese; mas aqui está outra para você”. Menosprezou as citações a Newton, alegando que elas provinham quase inteiramente de uma parte especulativa do Óptica e que elas seriam “meras hipóteses”. Por fim, ridicularizou Young por se referir de forma recorrente a trabalhos próprios, alguns não publicados, o que seria “peculiar aos que lidam com hipóteses” [31].

Young escreveu uma resposta às críticas de Brougham meses depois, mais caracterizada como uma defesa pessoal que uma contestação do ponto de vista científico [32]. Ele afirmou que as críticas foram um ataque “não somente a meus escritos e meus propósitos literários, mas praticamente a meu caráter moral”. A resposta, publicada originalmente como um panfleto, parece não ter impressionado, pois de acordo com o editor dos trabalhos completos de Young, George Peacock (1791-1858), o autor disse que “apenas uma cópia foi vendida; consequentemente não produziu efeito em vindicar sua carreira científica” [33]. Os aspectos dessa contenda ilustram que a percepção leiga de que a teoria ondulatória de Young, apesar dos problemas, foi bem recebida e aceita pelos filósofos naturais da época não tem respaldo histórico.

No contexto do ensino de física e de ciências, o estudo da Teoria Sobre Luz e Cores de Young tem importância não somente para ensinar conceitos da teoria ondulatória. Na realidade, não se deve tomar o artigo como uma referência para o ensino de ondas. Embora conceitos essenciais que ainda hoje utilizamos estão presentes no texto de Young, de forma geral, boa parte de seu conteúdo é obsoleta, por exemplo, suas ideias acerca do éter. Nesse caminho, é preciso muito discernimento dos educadores, a fim de usufruir adequadamente do conteúdo relacionado propriamente à física.

Acreditamos no potencial da Teoria Sobre Luz e Cores para trabalhar questões de natureza da ciência [34], especialmente as relacionadas com a construção, aceitação e rejeição do conhecimento científico. A elaboração do conceito de atmosferas etéreas de Young mostra como as ideias científicas podem representar, em um primeiro momento, uma base estável para o desenvolvimento de explicações para os fenômenos, mas, em um segundo, uma estrutura frágil e implausível à medida que elas não sustentam mais a argumentação. O modo como Young trabalhou essa ideia e sua implícita cautela ao abordá-la, afirmando que ele não a considerava fundamental, mas parecia “ser a mais simples e a melhor dentre qualquer uma” que já tivera imaginado, denotam que ele aventou possibilidades e lidou com a dúvida a todo instante.

Por outra perspectiva, seu princípio da interferência ainda estava em fase inicial e seria aprimorado em trabalhos posteriores. A discussão apresentada na Teoria Sobre Luz e Cores revela um Young deparando-se com um conhecimento que havia começado a chamar sua atenção e que posteriormente se tornaria o ponto central de sua defesa à teoria ondulatória da luz. Sendo assim, o princípio da interferência não foi enunciado em sua forma final nos primeiros estudos de Young sobre a natureza da luz. Essa circunstância demonstra que as ideias científicas não se desenvolvem repentinamente, mas são fruto de um processo de amadurecimento e crescimento intelectual dos cientistas, que passo a passo vão aparando as bordas, no intuito de conferir a elas maior fundamentação teórica e experimental.

As críticas que Young recebeu pelo seu trabalho, especialmente aquelas proferidas por Brougham, são um exemplo de como a aceitação de uma teoria envolve não somente o fato de ela ser boa ou ruim. O entendimento de que a Teoria Sobre Luz e Cores, assim como outros trabalhos do autor, representou a vitória da concepção ondulatória sobre a corpuscular é uma visão posterior a Young, difundida após o fim da disputa entre as duas na metade do Século XIX [35]. Torna-se muito conveniente, assim, dizer que Young abriu totalmente as portas para que a óptica de Newton fosse largamente rejeitada, quando sabemos o final da história.7 Trata-se de uma interpretação Whig8 de um evento complexo e repleto de particularidades.

Young enfrentou críticas tanto pelos conceitos quanto pela metodologia adotada na Teoria Sobre Luz e Cores. Como apontamos anteriormente, a mudança frequente de ideias fez parte de seu trabalho nesse período e isso não foi ignorado pelos seus coetâneos. O contexto em que Young escreveu também contribuiu para que suas ideias fossem rejeitadas, a princípio. A conjuntura da Grã-Bretanha do período depunha a favor de Newton e da teoria corpuscular, mesmo com todas as dificuldades e lacunas que possuía. Young não foi o primeiro a defender a teoria ondulatória, nem o primeiro a ser repreendido por isso. Não podemos correr o risco, todavia, de apontar heróis ou vilões. Young ofereceu um primeiro resgate à teoria ondulatória, sobretudo com seu princípio de interferência, mas a sua completa aceitação prolongou-se por mais algumas décadas, ganhando ainda a valiosa contribuição de Fresnel.9 Compreender adequadamente esse episódio envolve aprender que o processo de construção do conhecimento científico é como uma teia, multidirecional e influenciado por um grande número de aspectos, científicos e extracientíficos.

A Teoria Sobre Luz e Cores de Young ajuda a retratar as características de um período importante para a história da óptica e da luz. A tradução comentada que apresentamos neste artigo busca enaltecer as singularidades do trabalho, principalmente no sentido de redimensionar o papel de Young para o desenvolvimento ulterior da teoria ondulatória. O resgate à concepção de luz como ondulações em um meio etéreo trazido por ele foi inicial, mas não menos significativo e relevante para exemplificar a natureza do conhecimento científico sobre a luz.

2. Tradução comentada da Teoria Sobre Luz e Cores de Young

Apresentamos a seguir a tradução integral e comentada do artigo Teoria Sobre Luz e Cores. Buscamos manter a estrutura original do texto, fazendo modificações apenas quando julgamos necessário para facilitar o entendimento do leitor. Da mesma forma, as palavras foram traduzidas de maneira a preservar ao máximo a correspondência com os originais em inglês.

Como mencionamos anteriormente, Young citou vários autores ao longo da “Teoria”. No caso dos trechos de referências que estão disponíveis em português, preferimos não traduzi-los novamente, mas citá-los a partir da versão brasileira. As páginas citadas por Young foram trocadas pelas páginas das edições em português, sendo acompanhadas pelo símbolo (P).

2.1. Tradução

[p. 12]10Conferência Bakeriana.11Sobre a Teoria de Luz e Cores. Por Thomas Young, M.D.12F.R.S.13Professor de Filosofia Natural na Royal Institution14

Lida em 12 de Novembro, 1801

Embora a invenção de hipóteses plausíveis, independentemente de qualquer conexão com observações experimentais, seja de pouco uso para a promoção do conhecimento natural, ainda sim, a descoberta de princípios simples e uniformes, pelos quais um grande número de fenômenos aparentemente heterogêneos são reduzidos a leis universais e coerentes, deve ser sempre admitida como de considerável importância para o aperfeiçoamento do intelecto humano.

O objeto da presente dissertação não é tanto propor quaisquer opiniões que sejam absolutamente novas ou mencionar algumas teorias que já tenham avançado em relação a seus inventores originais, a fim de apoiá-las com evidências adicionais e aplicá-las a um grande número de fatos diversificados, os quais têm permanecido na obscuridade. Tampouco é absolutamente necessário produzir neste instante um único novo experimento, pois de experimentos já temos um amplo estoque, dentre os quais estão os mais excepcionais, uma vez que eles devem ter sido conduzidos com a menor parcialidade para com o sistema pelo qual eles serão explicados. Contudo, alguns fatos ainda não observados serão trazidos à tona, de modo a mostrar a concordância perfeita daquele sistema15 com os variados fenômenos da natureza.16

[p. 13] As observações em óptica de Newton ainda são imbatíveis; e, exceto por algumas imprecisões pontuais, elas só elevam nossa estima, à medida que as comparamos com as últimas tentativas de melhorá-las.17 Uma consideração adicional acerca das cores em filmes finos, do modo como elas são descritas no segundo livro da óptica de Newton,18 transformou aquela pressuposição que eu antes cogitei sobre o sistema ondulatório da luz em uma forte convicção de sua verdade e suficiência. Uma convicção que tem sido desde então confirmada de forma contundente pela análise das cores em substâncias estriadas. Os fenômenos dos filmes finos são, por sua vez, tão singulares, que suas complexidades gerais não são sem grande dificuldade conciliáveis com qualquer teoria que foi então aplicada a eles, por mais complicada [que seja].19 Algumas de suas principais