A ciência pela história, episódio 2 – Fresnel, política e controvérsias da luz

Por Gildo Magalhães, professor sênior do Instituto de Estudos Avançados (IEA) da USP

 09/04/2024 - Publicado há 1 mês

Pode a sombra produzir luz?

Esta parece uma pergunta sem sentido, mas em torno dela se reuniu uma sessão extraordinária da Academia de Ciências de Paris no começo de 1819, convocada por seu secretário François Arago. Seria realizada uma experiência para testar o que os mais influentes cientistas da época consideravam um absurdo e equivalia à pergunta acima, decorrente de considerar a luz como uma onda e não como partícula. Essa experiência serviria para desmoralizar as pretensões científicas do jovem engenheiro Augustin Jean Fresnel (1788-1827) que, juntamente com seu protetor Arago, defendiam a natureza ondulatória da luz.

Em frente a uma fonte luminosa, colocou-se um pequeno objeto circular. Ao se acender a fonte para iluminar esse disco, seria projetada numa tela uma sombra do objeto. O que aconteceria no centro dessa sombra? Havia um suspense geral, mas os adversários da teoria ondulatória da luz já antegozavam sua vitória acachapante.

Havia, porém, muito mais em jogo do que uma simples experiência.

Embora a natureza da luz fosse assunto discutido há muitos séculos, e aliás continuaria a ser objeto de disputa acirrada nos dias atuais, a controvérsia do momento remontava a 1690, quando o cientista Cristiaan Huygens publicou seu impactante Tratado sobre a Luz, em que conseguiu explicar de maneira diferente diversos fenômenos ópticos aplicando o engenhoso princípio das frentes de onda, multiplicadoras de ondulações na propagação luminosa. Huygens, filho de um eminente diplomata e compositor holandês, fora o professor de matemática do alemão Gottfried Leibniz, o grande polímata europeu.

O inglês Isaac Newton, em seu tratado Óptica (publicado em 1704), atacou a proposta de Huygens e defendeu a teoria segundo a qual a luz era constituída por partículas. Acontece que Newton acabou por se tornar um inimigo também de Leibniz, contra quem abriu várias frentes de batalha. Houve disputas em torno da prioridade de descobertas, mas não se deve deixar essas escaramuças ofuscarem o fundamento da grande controvérsia entre os dois. Na concepção de Newton, o universo é uma grande máquina, como se fosse um relógio mecânico de corda, e no qual a divindade precisava intervir de tempos em tempos, senão o mundo iria parar de funcionar. Já para Leibniz, a divindade é tão perfeita que conseguiria fazer um mecanismo que não se gasta, ao qual não é preciso dar corda – o universo é uma “máquina” perfeita. Os dois sistemas são irreconciliáveis e os reflexos dessas oposições criaram partidários de Newton contra os seguidores de Leibniz ao longo de várias gerações e, na verdade, perduram até os dias de hoje.

A física newtoniana na França e na Europa continental tinha recebido um grande ímpeto com a publicação pelo conhecido escritor Voltaire de Elementos da filosofia de Newton (1738). Em consequência, o cientista Joseph-Louis Lagrange consagrou no início do século 19 a visão do que se entendia pelo modelo newtoniano de ciências, pelo qual se devia entender a natureza de uma forma matematicamente “objetiva”, rejeitando-se digressões filosóficas, como indaga o porquê dos fenômenos. A recomendação de Lagrange equivalia à condenação de discussões metafísicas em ciências naturais e se deu no bojo da condenação de Napoleão Bonaparte ao grupo dos pensadores franceses conhecidos como ideólogos, a quem o imperador chamou de “metafísicos tenebrosos”.

Houve então uma divisão entre os cientistas franceses: uma facção liderada pelo físico e matemático Pierre-Simon de Laplace aderiu ao modelo newtoniano, e foi justamente chamada de “laplaciana”, enquanto o outro lado era contra e tinha cientistas como Arago, Jean Baptiste Fourier e André-Marie Ampère. Essa polarização podia por vezes acarretar um difícil equilíbrio na cena científica francesa, pois a batalha entre as facções se desenrolava também na arena política e filosófica.

Como muitas vezes acontece no mundo científico, teorias se transformam em dogmas e naquele começo do século 19 os newtonianos na França dominavam as posições de poder. Apesar da tentativa introduzida pela Revolução Francesa de acabar com o elitismo, a organização hierárquica da ciência francesa e sua dependência do patronato se demonstravam difíceis de mudar.

A Academia de Ciências francesa se tornou muito sensível aos humores políticos do governo, o que ficou ainda mais evidente com a Restauração monárquica, após a queda definitiva de Napoleão em 1815, e por um longo tempo ela dependeu dos favores dispendidos pelos newtonianos para as gerações mais jovens.

No caso da óptica, houve diversos avanços devidos ao esforço de vários cientistas, a maioria adepta da teoria corpuscular da luz, que funcionava de modo geral muito bem e predominou durante mais de um século. No entanto, ela não conseguia explicar bem alguns fenômenos como a difração, em que a luz era capaz de “dar a volta” em obstáculos. Foi nesse momento histórico que surgiu o trabalho de Fresnel, cuja formação se deu em plena época napoleônica, tendo se graduado em 1806 na recém-estabelecida Escola Politécnica de Paris e continuado seus estudos na veneranda Escola Nacional de Pontes e Estradas, onde se formou em 1808.

Durante alguns anos Fresnel trabalhou no serviço público francês como engenheiro de estradas. Enquanto trabalhava, Fresnel fazia em seu tempo livre estudos autodidatas e experiências com a luz, sendo partidário da teoria ondulatória. Quando do retorno de Napoleão Bonaparte de seu exílio na Ilha de Elba em 1814, Fresnel aliou-se aos partidários da realeza e se recusou a cooperar com os bonapartistas. Sentia desilusão com a política seguida pelo líder francês, que se tornara um déspota e levara o país ao envolvimento em guerras com perdas humanas e econômicas cada vez maiores.

Devido a essa recusa, Fresnel foi suspenso do funcionalismo público. Como tinha ambições de entrar no círculo científico francês, ao qual não tinha porém acesso, conseguiu que seu tio Léonor Merimée (pai do escritor Prosper Mérimée) o apresentasse ao secretário da Academia de Ciências, o célebre François Arago, que tinha conseguido ser eleito para a Academia apesar da intensa oposição dos laplacianos (vide o Episódio 1 desta série), numa disputa que lembra em muitos aspectos aquela que ocorre em certos concursos universitários, quando, além do mérito acadêmico, concorrem fatores políticos e pessoais de outra ordem. Ao tomar conhecimento do trabalho de Fresnel, Arago se entusiasmou com a hipótese de ter um aliado contra os laplacianos e até conseguiu mais tarde a reintegração de Fresnel no serviço público. Foi, portanto, neste ponto que Fresnel interveio decisivamente no debate sobre a natureza da luz. Com a proteção de Arago, no outono de 1815, ele tinha enviado à Academia Francesa seu primeiro ensaio sobre a difração, atacando a teoria newtoniana da emissão de partículas de luz e defendendo que a luz é uma vibração.

Qual a razão do sucesso de Fresnel na teoria ondulatória da luz? Contando cada vez mais com o apoio político de Arago e Ampère, Fresnel aos poucos ousou propor que as ondas luminosas são vibrações transversais ao sentido do deslocamento, ao contrário do som, que se desloca longitudinalmente. Combinando o princípio de Huygens das frentes de onda com sua própria explicação para a difração, em 1816 Fresnel começou a formular uma teoria matemática sofisticada para explicar esses fenômenos e calcular a amplitude da onda difratada e a intensidade da luz em cada ponto observado. Essa tarefa foi terminada em 1818 e Fresnel se sentiu então capacitado a disputar o Grande Prêmio lançado pela Academia de Ciências, cujo tema era exatamente a difração luminosa. O concurso havia sido armado pelos laplacianos como um meio para desacreditar os proponentes da teoria ondulatória da luz.

A banca julgadora do concurso era majoritariamente formada por newtonianos como Laplace e Biot. O único trabalho inscrito com condições para ser classificado foi o de Fresnel, justamente a quem a banca não queria atribuir o prêmio. Um dos membros da comissão julgadora era o matemático Denis Poisson, também laplaciano, que examinou detidamente as equações de Fresnel e apontou para o restante da comissão julgadora que, se aquela teoria estivesse correta, haveria um resultado estranho: um disco iluminado por uma fonte produziria uma sombra em cujo centro haveria contraditoriamente uma região brilhante. A comissão ponderou que era impossível surgir luz onde havia escuridão e decidiu então que não deveria dar o prêmio a Fresnel por essa aparente inconsistência.

Aconteceu, no entanto, que Arago surpreendeu a todos e decidiu fazer uma experiência em plena Academia, em frente da Comissão Julgadora, para testar se haveria ou não esse resultado. A surpresa dos laplacianos no dia marcado para o experimento foi enorme: Poisson tinha feito as contas corretamente e o ponto brilhante lá estava no centro da sombra! Isto foi explicado por Fresnel como resultado da interferência de ondas de luz difratadas pela borda do disco que se reuniam se reforçando no centro da sombra! Não houve jeito de negar a evidência e Fresnel ganhou o concurso, sendo-lhe atribuído o prêmio em 15 de março de 1819, mesmo sem que Laplace, Biot e Poisson aceitassem a teoria ondulatória.

Começou então para Fresnel um outro trabalho ao qual se entregou freneticamente, tomando o lugar de Arago na Comissão dos Faróis. Tratava-se de um ambicioso projeto napoleônico de 1811, cuja meta no auge do império francês era prover de faróis de marinha eficientes toda a Europa continental, desde o Mar Báltico até o Adriático, exceto os Balcãs, numa extensão com cerca de 38 mil quilômetros.

Fresnel possuía um verdadeiro espírito público e foi sendo cada vez mais absorvido por esse trabalho, para o qual inventou a famosa “lente de Fresnel”, que se revelou muito superior em luminosidade e praticidade do que seus concorrentes britânicos, e que bem mais tarde foi intensivamente utilizada nos faróis de automóveis e semáforos luminosos. Sua dedicação impressionou a todos, pela eficiência e rapidez na instalação de faróis nos pontos mais perigosos da costa e suas lentes logo se espalharam não só pela Europa continental, mas pela Grã-Bretanha, Ásia e América.

As honrarias chegaram tarde para Fresnel, cuja saúde definhou rapidamente devida à tuberculose, doença que a ciência médica do momento não entendia. Morreu aos 39 anos em 14 de julho de 1827, dia comemorativo da Revolução que ele não aprovou, mas que na sequência de eventos tanto influenciou os rumos de sua vida.

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