Físicos medem pela primeira vez a pressão que a luz exerce sobre a matéria

Caltech / NASA

Quanta pressão exerce a luz sobre a matéria com a qual interage? Este é um problema que perseguiu e confundiu cientistas durante quase 150 anos – e agora pode ter sido encontrada uma solução. Uma equipa de físicos desenvolveu um método para medir o efeito de um fotão sobre a matéria.

No mundo que nos rodeia, o impacto que os corpos em movimento exercem uns sobre os outros é determinado, de acordo com a física newtoniana, pela quantidade de movimento que esses corpos possuem, isto é, o valor da sua massa multiplicado pela sua velocidade.

Em teoria, o fotão – seja ele uma partícula ou uma onda – não tem massa, pelo que o impacto físico que a luz exerce sobre os corpos deveria ser nulo.

Mas mesmo que o fotão não tenha massa, tem momentum, ou momento físico, tal como é definido no campo da Teoria da Relatividade. E esse momentum exerce uma força.

Para perceber o fenómeno, temos que recuar até 1619, quando a pressão exercida pela luz foi formulada como hipótese. No seu tratado De Cometi, o matemático e astrónomo alemão Johannes Kepler – figura chave da revolução científica no século XVII – destacou que a luz do Sol exercia uma determinada pressão e, esta era a razão pela qual a cauda de um cometa sempre se afastava do Sol.

Só mais tarde, em 1873 é que o físico escocês James Clerk Maxwell formulou que a pressão da luz estava ligada ao momentum, no seu trabalho intitulado Um Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo.

Clerk Maxwell, cujo trabalho forneceu bases críticas para o trabalho de Einstei sobre a relatividade – supôs que a luz é uma forma de radiação eletromagnética que carrega o momentum e, portanto, exerce pressão.

Contudo o momentum – e, consequentemente, a pressão da radiação de um fotão – é infinitamente pequeno, sendo assim extremamente complicado medi-lo diretamente.

“Até ao momento, não tínhamos determinado como este momentum é convertido numa força ou num movimento”, explicou o engenheiro Kenneth Chau, da University of British Columbia Okanagan Campus, no Canadá.

“Como a quantidade de momentum transportada pela luz é tão pequena, não tínhamos equipamentos sensíveis o suficiente para resolver esta questão”, sustentou.

As nossas capacidades tecnológicas atuais ainda não são sensíveis o suficiente para detetar diretamente o momentum de um fotão. No entanto, Chau e a sua equipa de investigadores do Brasil e da Eslovénia, descobriram uma forma de avaliar os efeitos fenómeno.

A equipa desenvolveu um dispositivo completamente isolado, de forma a impedir que a experiência recebesse interferências externas, que dispara feixes de luz sobre um espelho.

Quando os investigadores disparam pulsos de laser para o espelho, são enviadas ondas elásticas que se movem através da sua superfície. Estes movimentos são detetados e medidos pelos sensores acústicos de alta sensibilidade – ou seja, faz-se a medição da pressão dos fotões indiretamente.

“Nós não podemos medir diretamente o momentum do fotão por isso, a nossa abordagem incidiu em detetar o seu efeito num espelho, ‘ouvindo’ as ondas elásticas que o atravessaram”, afirmou Chau.

“Conseguimos rastrear as características destas ondas que vêm do momentum que está no próprio pulso de luz, o que abre a porta para finalmente definir e modelar como a luz do momentum existe dentro dos materiais”, prosseguiu.

Aplicações práticas

A descoberta, publicada nesta terça-feira na revista Nature, não só é incrível para a a Ciência – pode mesmo ter importantes aplicações práticas imediatas.

A primeira aplicação passa por melhorar a tecnologia das velas solares, um dos métodos de propulsão mais promissores para enviar sondas para o espaço. Poderia também permitir criar melhores pinças óticas, um método de capturar e manipular partículas incrivelmente pequenas – até à escala de um único átomo.

“Ainda não chegámos lá”, concluiu Chau, mas “a descoberta nesta investigação é um passo importante e estou animado para ver até onde nos leva”, concluiu.