A natureza exerce um enorme fascínio sobre o homem. Este sempre procurou conhecê-la melhor e interpretá-la.
Um dos mais belos fenómenos naturais, facilmente observável por todos nós, é o arco-íris.
Um efeito luminoso enigmático para quem não compreende a natureza da luz e cercado por mitos. Por exemplo, a tradição europeia diz que nas extremidades do arco-íris há um pote de ouro e a tradição brasileira diz que quem passar por baixo do arco-íris muda de sexo. Pode-se afirmar qualquer coisa, pois o arco-íris não tem extremidades e nem é possível passar por baixo dele.
Este belo fenómeno da natureza foi explicado por Isaac Newton, um dos físicos mais famosos de todos os tempos, que viveu em Inglaterra de 1642 a 1727. Ele lançou as bases da mecânica clássica, também chamada newtoniana, que explica o movimento dos corpos. Ele estudou a luz e tratou-a como uma onda, introduzindo o conceito de frequência.
Newton explicou a natureza do arco-íris. Depois disso, em 1820, Keats, um importante poeta inglês, ficou indignado com o facto de haver explicação natural para um fenómeno tão belo e envolto em misticismo. O poeta nos seus versos acusou Newton de destruir a "poesia do arco-íris".
Isaac Newton criou um arco-íris num quarto escuro. Um pequeno buraco num anteparo deixava passar um raio de sol. No caminho dessa luz, colocou um prisma de vidro transparente que refratava (mudava a direção) do raio de sol por um ângulo, assim que ele penetrava no vidro, e depois novamente quando passava pela face mais distante para voltar ao ar. Quando a luz batia na parede do fundo do quarto de Newton, as 7 cores do espectro ficavam claramente evidentes (ver figura apresentada em baixo).
Newton não foi o primeiro a criar um arco-íris artificial com um prisma, mas foi o primeiro a usá-lo para demonstrar que a luz branca é uma mistura de diferentes cores. O prisma consegue separar as várias cores, inclinando-as com diferentes ângulos: o azul por um ângulo mais agudo que o vermelho; o verde, o amarelo e o laranja por ângulos intermediários.
Algumas pessoas pensavam que o prisma mudava a qualidade da luz, dando cores a ela, em vez de separar as cores de uma mistura já existente.
Newton decidiu a questão realizando duas experiências em que a luz passava por um segundo prisma:
Na primeira experiência ele colocou, depois do primeiro prisma, uma fenda que deixava passar apenas uma pequena parte do espectro, digamos, a porção vermelha. Quando essa luz vermelha era novamente refratada por um segundo prisma, aparecia apenas luz vermelha. Isso demonstrava que a luz não é qualitativamente alterada por um prisma, apenas separada em componentes que estariam normalmente misturados.
Na sua segunda experiência, Newton virou o segundo prisma de cabeça para baixo. As cores do espectro que haviam sido desdobradas pelo primeiro prisma voltaram a ser reunidas pelo segundo. O que apareceu foi a luz branca reconstituída.
A maneira mais fácil de compreender o espectro é pela teoria da luz como onda. O importante sobre as ondas é que nada realmente viaja todo o percurso da fonte ao destino. O movimento que se produz é local e em pequena escala. O movimento local desencadeia o movimento no próximo trecho local, e assim por diante, ao longo de toda a linha, como a famosa "onda" que se faz habitualmente nos estádios de futebol.
O que ocorre num prisma de vidro ou numa gota de chuva para dividir a luz branca em suas cores separadas?
Porque é que os raios de luz são desviados pelo vidro e pela água?
A mudança resulta de um retardamento da luz, enquanto ela se move do ar para dentro do vidro (ou da água). Ela acelera de novo quando sai do vidro.
Sabemos que Einstein demonstrou que a velocidade da luz é a grande constante física do universo e que nada pode deslocar-se mais depressa.
Então, como é que isso pode acontecer?
A resposta é que a lendária velocidade da luz, representada pelo símbolo c, só é alcançada no vácuo. Quando se desloca por uma substância transparente como vidro ou água, a luz é retardada por um fator conhecido como o "índice de refração" dessa substância. É também retardada no ar, mas com menos intensidade.
Entretanto, porque é que a diminuição da velocidade se traduz numa mudança de ângulo?
Se o raio de luz aponta perpendicularmente para dentro de um bloco de vidro, ele vai continuar no mesmo ângulo (rumo à frente), mas retardado. Entretanto, se ele entra na superfície por um ângulo oblíquo, é refratado para um ângulo mais aberto, quando começa a deslocar-se mais devagar.
O índice de refração de uma substância, digamos do vidro ou água, é maior para a luz azul que para a vermelha. Seria possível pensar que a luz azul é mais lenta que a vermelha, emaranhando-se na moita de átomos do vidro e da água, por causa de seu pequeno comprimento de onda. A luz de todas as cores se emaranha menos entre os átomos mais esparsos do ar, mas a azul ainda se desloca mais devagar do que a vermelha. No vácuo, onde não há átomos, a luz de todas as cores tem a mesma velocidade: o grande e universal máximo c (aproximadamente 300000 Km/s).
As gotas de chuva têm um efeito mais complicado do que o prisma de Newton. Sendo aproximadamente esféricas, a sua superfície posterior age como um espelho côncavo. Assim, elas refletem a luz do sol depois de refratá-la, sendo essa a razão pela qual vemos o arco-íris na parte do céu oposta ao Sol.
Imagina que te encontras de costas viradas para o Sol, olhando para a chuva, de preferência com um pano de fundo sombrio. Não veremos um arco-íris se o Sol estiver mais alto no céu do que 42 graus acima do horizonte. Quanto mais baixo o Sol, mais elevado o arco-íris. Quando o sol nasce pela manhã, o arco-íris, se houver algum visível, se põe. Quando o Sol se põe no entardecer, o arco-íris se eleva. Assim, vamos assumir que é de manhã cedo ou no fim da tarde. Vamos pensar numa gota de chuva particular como uma esfera. O Sol está atrás e um pouco acima de ti, e a sua luz entra na gota de chuva. Na fronteira do ar com a água, a luz é refratada e os diferentes comprimentos de onda que formam a luz do Sol são inclinados em diferentes ângulos, como no prisma de Newton. As cores desdobradas passam pelo interior da gota de chuva até atingirem a parede côncava do outro lado, onde são refletidas de volta e para baixo. Elas saem de novo da gota de chuva, e algumas acabam no nosso olho. Quando voltam a passar da água para o ar, são refratadas novamente, sendo as diferentes cores mais uma vez inclinadas em ângulos diferentes.
Assim, um espectro completo – vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta – origina-se a partir de uma única gota de chuva, e outros semelhantes também se podem originar a partir de outras gotas de chuva nos arredores.
Mas, de qualquer gota de chuva, apenas uma pequena parte do espectro atinge o nosso olho. Se o olho recebe um raio de luz verde de uma gota de chuva particular, a luz azul daquela gota de chuva passa acima do olho, e a luz vermelha passa por baixo. Assim, por que vemos um arco-íris completo? Porque há muitas gotas de chuva diferentes. Uma faixa de milhares de gotas de chuva projeta para nós a luz verde (e ao mesmo tempo a luz azul para alguém que esteja adequadamente colocado acima de ti, e ao mesmo tempo a luz vermelha para outra pessoa mais abaixo). Outra faixa de milhares de gotas de chuva está transmitindo a luz vermelha (e a luz azul para outra pessoa...), outra faixa de milhares de gotas de chuva está refratando a luz azul, e assim por diante.
As gotas de chuva que te transmitem a luz vermelha estão todas à mesma distância da tua posição – razão pela qual a faixa vermelha é curva (estás no centro do círculo). As gotas de chuva que transmitem a luz verde também estão a uma distância fixa, mas é uma distância menor. Assim, o círculo em que te encontras tem um raio menor, e a curva verde se encontra dentro da curva vermelha. A curva azul vai então estar dentro da verde, e todo o arco-íris é construído como uma série de círculos contigo no centro. Os outros observadores verão arco-íris diferentes, neles centrados.
Assim, ao invés do arco-íris estar fixo num "lugar" particular, há tantos arco-íris quantos os olhos contemplando a tempestade. Olhando para a mesma chuva de lugares diferentes, observadores diferentes vão formar os seus arco-íris separados usando a luz de diferentes grupos de gotas de chuva.
O poeta inglês indignou-se por Newton ter explicado o arco-íris, mas, para muitos, a Natureza fica sempre mais bela quanto melhor compreendida.
Adaptação de um texto da autoria da Dra Regina Helena Francisco, apresentado em: cdcc