Ver o invisível — a ciência da óptica

UM PITORESCO panorama, um brilhante pôr-do-sol, uma linda flor — todos são vistas lindas, gostosas de contemplar. Embora raramente pensemos no que está envolvido na visão, certamente estamos contentes de poder ver.

Não importa quão maravilhoso seja o olho, o que conseguimos ver à vista desarmada não é senão uma fração do que existe para ser contemplado. Através do uso de instrumentos ópticos — de uma simples lente de aumento aos telescópios, microscópios, câmaras especiais, espectroscópios e assim por diante — a ciência da óptica, como se chama o estudo das propriedades da luz, tem expandido imensamente nosso conhecimento de nós mesmos e do mundo ao redor de nós.

Embora talvez esteja familiarizado com alguns destes instrumentos ópticos, sabe como eles funcionam? Por que, por exemplo, uma lente de aumento amplia os objetos? O que faz com que um instrumento realce o mundo dos microorganismos e outro torne possível ver a ampla expansão do universo? Já por longo tempo, a ciência da óptica constitui intrigante campo de estudos.

O Elemento Básico

Já utilizou alguma vez uma lente de aumento manual para abrir um furo num pedaço de papel, por focalizar nele um raio da luz solar? O que tinha ali era um instrumento óptico em sua forma mais simples. Aquele pequeno ponto sobre o papel era, na realidade, uma imagem do sol produzida pela lente simples que tinha em mãos. Concentrar toda a energia contida naquele raio de luz em um pequeno ponto o tornou suficientemente quente a ponto de queimar o papel.

Outra lente com que muitos estão familiarizados é a que se acha na parte da frente duma câmara. Talvez saiba que ela focaliza a luz de um objeto, de modo a formar uma imagem sobre o filme, a fim de se tirar uma foto. Essencialmente, é isso que uma lente faz. Ela faz com que a luz forme uma imagem de tamanho e de intensidade adequados, de modo que possa ser observada ou registrada. Mas, como é que a lente faz com que a luz se curve e incida, ou se focalize, sobre algo? A resposta reside num fenômeno óptico chamado de refração.

Quando mergulha uma vara num tanque de água, o que vê? Não parece que a vara se curva no ponto em que penetra na água? Este acontecimento comum, porém estranho, ilustra que, quando um raio de luz passa de um meio para outro, tal como da água para o ar, ele não se propaga em linha reta; ele se curva, exceto quando atinge perpendicularmente a interface. É a isto que os cientistas chamam de refração. A intensidade com que a luz sofre refração depende dos meios — ar, água, óleo, vidro, e assim por diante — e do ângulo de incidência, isto é, do ângulo entre o raio de luz e a vertical, no ponto de entrada.

Olhe de novo a lente de uma câmara. Notará que a superfície da lente não é achatada, mas é curva, como a superfície duma esfera, ou convexa. Agora, imagine um raio de luz incidindo sobre ela, de certa distância. No centro, a luz é perpendicular à superfície da lente; assim, ela se propaga em linha reta, sem que ocorra nenhuma refração. O ângulo de incidência alarga-se progressivamente no sentido das bordas da lente. Isto significa que, quanto mais distante a luz incidir do centro, tanto maior será a refração causada pela lente. Por causa disto, todos os raios que partem do mesmo ponto, de um lado de uma lente de formato apropriado incidirão, ou serão focalizados, no outro lado, para formar uma imagem.

O Design dum Sistema Óptico

Para complicar os assuntos, porém, a luz de diferentes cores, ou comprimentos de onda, sofre a refração em diferentes graus. É por isso que um prisma divide um raio de luz em suas cores, formando um arco-íris. É exatamente isto que acontece com uma lente simples; a imagem geralmente possui bordas coloridas, e assim, distorcidas.

Este problema pode ser superado por meio de cuidadoso design. Os cientistas sabem, por exemplo, que o teor químico do vidro empregado numa lente alterará suas propriedades refrativas. Um designer, por criar um sistema de lentes feitas de diferentes tipos de vidro e de diferentes curvaturas, pode reduzir ao mínimo a aberração e a distorção.

O design de tal sistema, porém, não é simples. Costumava envolver muitas pessoas, que realizavam cansativos cálculos durante semanas e meses, para produzir um design. Hoje, utilizam-se computadores para calcular todas as possíveis variações de ângulos dos raios da luz, as distâncias entre as lentes, a curvatura de cada lente, e uma infinidade de outros fatores. Programa-se o computador para selecionar a combinação que resulte num sistema da maior exatidão possível.

A lente duma boa câmara pode ter de quatro a sete, ou mais, elementos individuais, com superfícies cuja exatidão chega a dez milésimos de milímetro. Cada elemento precisa ser montado numa relação precisa com os outros. Para captar tanta luz quanto seja possível, o diâmetro de cada elemento deve ser tão amplo quanto seja prático. Todas estas coisas custam caro, e isso explica por que uma câmara de precisão é tão cara. Por exemplo, uma das câmaras usadas no ônibus espacial consegue fotografar pormenores na Terra de 10 metros de diâmetro, de uma distância de mais de 240 quilômetros no espaço sideral. Esta câmara tem uma lente dotada de oito elementos e custou nove milhões de dólares!

Ver o Invisível

Imagine então o que está envolvido no design, na produção e nos testes de um sistema óptico para ser usado num telescópio que nos permita sondar nosso amplo e assombroso universo. A luz que vem das estrelas distantes é tão fraca que a maioria delas é invisível à vista desarmada. Um telescópio captará tanta luz destas estrelas remotas quanto seja possível, a focalizará num ponto comum e formará uma imagem visível.

A maioria dos telescópios ópticos utilizam um espelho côncavo para coletar os tênues raios de luz. O famoso telescópio de Hale no monte Palomar, por exemplo, possui um espelho de 5 metros de diâmetro, e pode sondar vários bilhões de anos-luz. Assombroso como seja, o telescópio de Hale já foi eclipsado por outro no topo do Mauna Kea, no Havaí. Este telescópio possui um espelho de 10 metros — quatro vezes a capacidade de captação da luz do telescópio no monte Palomar. Tão potente, de fato, que “permite que a pessoa veja a luz de uma única vela da distância da lua”, disse Howard Keck, presidente da fundação que doou 70 milhões de dólares para apoiar o projeto.

Por algum tempo os olhos dos astrônomos se voltaram para um telescópio de tipo diferente: o HST (sigla, em inglês, de Telescópio Espacial Hubble), de US$ 1.600.000.000. Lançado pelo ônibus espacial, ele gira em torno da Terra numa órbita de 500 quilômetros no espaço. Sem a obstrução da atmosfera terrestre, pode ver tão bem que, teoricamente, seu poder de resolução é “equivalente a distinguir os faróis esquerdo e direito de um carro de uma distância de 4.000 quilômetros”, afirma a revista Sky & Telescope. Para conseguir este grau de resolução, a superfície de seu modesto espelho de 2,40 metros tinha de ser exata ao ponto de impedir erros de quinhentos milésimos de milímetro. Para grande desapontamento de todos, contudo, as primeiras imagens do espaço enviadas pelo HST eram embaçadas, evidentemente em resultado duma falha de fabricação. “Um fragmento de película sintética do tamanho de um grão de areia”, afirma uma reportagem publicada na revista New Scientist, “soltou-se dum aparelho de calibragem durante a fabricação do espelho primário do telescópio. Em resultado disso, o espelho foi polido achatado demais”. Pelo visto, até mesmo a mais alta tecnologia é vulnerável!

Da visão de longo alcance, por meio dum telescópio, podemos voltar-nos para a visão de perto, por meio dum microscópio. Os microscópios primitivos não eram nada mais do que uma lente de aumento. Já no século 17 vieram a ser usados microscópios compostos, em que a imagem formada por uma das lentes era adicionalmente ampliada por outra lente. A primeira lente é geralmente chamada de objetiva, porque se dirige para o objeto a ser examinado, e, a segunda lente, de ocular.

Para que um microscópio cumpra sua tarefa, tem de poder captar tanta luz quanto for possível de um diminuto objeto. Para fazê-lo, a objetiva é moldada um tanto parecida a uma meia esfera, algo parecido a um chapéu de cogumelo. Mesmo tendo somente um milímetro de diâmetro ou menos, suas superfícies têm de ser exatas, ao ponto de um milésimo de milímetro.

É interessante que a capacidade de ver pequenos objetos depende, não tanto do instrumento como da luz usada para iluminar o objeto. Quanto menor for o objeto a ser visto, mais curto terá de ser o comprimento de onda da luz iluminadora. Os microscópios ópticos utilizam a luz visível, e isto os limita a ver objetos que não sejam inferiores a dez milésimos de milímetro de diâmetro. Os microscópios primitivos habilitaram os cientistas a descobrir que as plantas consistem em inumeráveis células — o que constituiu uma revelação e tanto! Atualmente, os estudantes de Biologia podem perscrutar os domínios das bactérias e das células sanguíneas por meio dos microscópios providos em suas salas de aula.

Para vermos objetos ainda menores, dispomos do microscópio eletrônico. Como o nome subentende, em vez de luz visível, raios de elétrons de alta energia são dirigidos a objetos de apenas um milionésimo de milímetro. Isto torna possível ver vírus e moléculas maiores.

Que dizer da estrutura do átomo ou de seu núcleo? Para poderem ver tais coisas, os cientistas têm de “esmagar” um átomo e então usar computadores para construir um quadro do resultado. Assim, em certo sentido, os maiores e os mais potentes “microscópios” são os aceleradores de partículas — ciclotrons, síncrotons e outros — o tamanho de alguns sendo medido em quilômetros. Estes instrumentos têm dado aos cientistas alguns relances dos segredos das forças que mantêm coeso o universo.

A Maravilha da Visão

Alguém poderia pensar que o olho humano, comparado com estes instrumentos complicados, seja deveras primitivo. Simples, talvez; primitivo, nunca! O olho não tem problemas com as diferentes cores da luz. Seu sistema de focalização automática é rápido e eficiente. Pode ver em três dimensões. Consegue detectar milhões de gradações de luz e de matizes. Consegue criar e registrar uma nova imagem a cada décimo de segundo. A lista prossegue infindavelmente. Que obra-prima é o olho humano!

Quão gratos somos pela habilidade de ver — com ou sem instrumentos ópticos! O conhecimento aumentado do macro e do micro, do visível e do invisível, trouxe muitos benefícios tangíveis. Mas, acima de tudo, a maravilhosa dádiva da visão, junto com o que se aprendeu por meio da ciência da óptica, devia ajudar-nos a ver a sabedoria e o amor daquele que nos proveu destas coisas, o Criador, Jeová Deus. — Salmo 148; Provérbios 20:12.

[Fotos na página 23]

A espetacular nebulosa Órion, a 1.300 anos-luz de distância.

Destaque: Um dos telescópios do Observatório Nacional de Kit Peak, no Arizona, EUA.

[Crédito da foto]

Foto da NASA

[Fotos na página 24]

No alto: A base de uma única escama da asa duma mariposa, ampliada pelo microscópio eletrônico.

Embaixo, à esquerda: Numa ampliação de 40.000 vezes, podem-se perceber ainda mais pormenores, ilustrando o intricado “design” envolvido na estrutura de todas as coisas vivas.

Embaixo, à direita: O primitivo microscópio composto de Hooke, copiado de “Micrographia” (Micrografia), de Robert Hooke, 1665.

[Crédito das fotos]

Historical Pictures Service

No alto e embaixo, à esquerda: Outdoor Pictures