Sim a luz é uma onda, então…
Onda, é uma fenômeno em que há transmissão de energia sem transporte de matéria. É como energia viajando no espaço. Fica mais fácil entender se pensarmos em um exemplo em que há matéria transportando energia. Por exemplo, para derrubar uma pilha de latas em uma quermesse, uma pessoa usa uma bola de meias e a arremessa contra a pilha. Isto é, ela dá energia à bola, esta viaja uns 5 metros carregada com essa energia, pois o atrito com o ar a consome muito pouco, e atinge a pilha de latas comunicando uma parte dessa energia na colisão. Como o equilíbrio das mesmas é algo precário, a pilha se desfaz. Isso é transmissão de energia com transporte de matéria. Um carrinho de bebê sendo empurrado, uma martelo batendo um prego, o digitar em um teclado… tudo isso é comunicar energia de um corpo físico a outro através de um contato direto em que um corpo faz força, executa um trabalho, como se diz em física, sobre o outro.
Alguém poderia derrubar a pilha de latas colocando umas caixas acústicas muito potentes também a cinco metros de distância e talvez com um som adequado faria a pilha tremer e cair. Nesse caso, haveria também transmissão de energia, evidente pois a pilha caiu, mas sem transporte de matéria. Foi apenas a vibração dos alto-falantes que fez o ar tremer, mas o ar não “foi” do alto-falante “até” as latas, ele apenas serviu de meio para que essa vibração fosse passando de molécula a molécula até chegar e vibrar as latas também.
Uma onda é uma vibração de uma característica física de um meio que pode ser o ar, uma membrana, um material ou uma corda. Nesses casos de ondas que chamamos mecânicas, a característica é uma certa elasticidade que existe entre as moléculas de cada meio. As moléculas funcionam como uma rede de micro molas, uma empurra a outra, que empurra a outra, que empurra a outra e assim a onda vai caminhando pelo material.
Bem, isso é a onda mecânica. Quanto à natureza ondulatória da luz, ela é menos intuitiva, pois a vibração ocorre nos valores de campos elétricos e magnéticos e o meio é qualquer material transparente ou mesmo o vácuo. Da mesma forma que o som, temos camadas que se propagam a partir da fonte com valores oscilantes de campos que chamamos de eletromagnéticos. No som seria a compressão das moléculas, para a luz são esses campos que variam em intensidade e essa perturbação caminha pelos meios que lhes são transparentes.
(Ilustração acima com o prisma é da Wikipedia – Autor D-Kuro)
Intensidade e frequência
Como toda onda, a luz pode ser definida por duas grandezas que são intensidade e frequência, ou intensidade e comprimento de onda. Intensidade é o quanto a vibração é forte, está ligada à amplitude da onda. O comprimento de onda é a distância entre dois picos. A frequência é quantas vezes a grandeza física em questão oscila por segundo. Vibrações por segundo tem um nome que é Hertz. Poderíamos contar frequência em vibrações por minuto, ou horas, mas segundos são em geral mais adequados e geram valores mais fáceis de fazer contas com outras grandezas físicas. Comprimentos de onda são geralmente medidos em metros.
Luz pode então ser medida e caracterizada por intensidade e comprimento de onda (comprimento de onda é, por hábito, mais comum que frequência, mas os dois se correspondem). O mesmo acontece com o som (para o qual, em geral, se prefere frequência).
Quando o som muda de frequência ele vai de grave para agudo ou o contrário. O contra-baixo é mais grave e o violino, relativamente, mais agudo. Temos essa percepção associada à frequência das ondas sonoras. Quando o som muda de intensidade, vai de fraco para forte, de quase inaudível para ensurdecedor, ou o contrário. No caso da luz, nosso aparelho detector de luz é bem diferente do detector de sons e faz com que apareça a percepção da cor.
Note que até aqui falamos apenas de medidas numéricas, assim como o peso (massa) em kilogramas, ou distâncias em metros, ou tempo em segundos, minutos, etc. Mas para sons e luzes não usamos os valores numéricos das frequências com a mesma facilidade com que usamos valores numéricos para pesos, tempos e distâncias. Para sons dizemos graves e agudos, e para a luz percebemos cores, conforme a frequência da onda luminosa. Mas todos são traduzíveis em valores em uma escala numérica.
Ainda que os dois compartilhem tantas similaridades, há uma diferença fundamental na forma como nossos sentidos processam som e luz. Isso é o que eu acho mais difícil de entender: Por que razão o espectro luminoso se mostra em regiões tão distintas enquanto que o sonoro não?
Vamos colocar uma imagem sobre a outra para ficar fácil de pensar como é fundamental essa diferença. Acima temos um teclado de piano e sobre ele um espectro luminoso. Os dois são como escalas indo de baixas a altas frequências da esquerda para a direita. O som, se formos tocando pelas teclas da esquerda para a direita, vai mudando de mais grave para mais agudo, de modo uniforme, progressivo e contínuo. Suponha agora que temos uma lâmpada ligada a esse teclado que acende a cor da tecla quando a apertamos. Imagine que vamos também nos deslocando da esquerda para a direita. Notaremos nesse caso faixas que formam regiões sobre o teclado, regiões de cores. Nos dois casos estamos simplesmente indo de frequências mais baixas para mais altas. As teclas azuis, pensando agora no som que produzem, produzem sons próximos em tonalidade, mas não formam uma família, não formam um grupo distinto do resto, como se forma o azul, pensando agora na lâmpada. O grupo do azul claramente se destaca das outras partes do teclado/espectro para formar uma família. A questão a entender é: por que o nosso cérebro entende faixas de frequência/comprimento de onda de luz como assemelhadas se temos, fisicamente falando, uma variação progressiva e contínua de uma mesma grandeza?
Como percebemos ondas sonoras, luminosas e cores
A resposta está na natureza do aparelho receptor desses dois tipos de onda: ouvidos e olhos, que são os detetores de sons e luzes respectivamente. Detectar uma onda é sempre ter alguma coisa que vibre ou que se altere ao ser atingido por ela. Dizemos que isso é ser sensível àquela onda. Na ocorrência da sensibilização, esse dado é convertido em impulsos elétricos e enviado ao cérebro e é aí que a transformação física/química do receptor será interpretada. No caso dos ouvidos é a vibração do tímpano e no caso da luz são reações químicas, provocadas pela luz, que ocorrem na superfície da retina, onde a imagem do que temos à frente de nós é projetada.
O tímpano, vibra com a onda sonora, mas não vibra com qualquer onda sonora. É preciso uma intensidade mínima, que para que ele se ponha a vibrar e há uma intensidade máxima a partir da qual já começa a doer e causar danos. Esse piso e teto para intensidades varia conforme a frequência do som. Não conseguimos também ouvir todas as frequências. Em geral começamos a escutar por volta de 20 Hz e conseguimos perceber até 20.000 Hz. Fora dessa faixa de frequências, mesmo com intensidades que ouviríamos dentro dela, somos como que surdos. Nos limites dessa faixa ouvimos mal e no meio temos a melhor resposta. Ou seja, há uma curva de resposta perceptiva de nossos ouvidos. Se formos submetidos a sons de mesma intensidade mas variando as frequências, ouviremos mal as pontas do espectro audível e muito bem a sua parte central entre 2.000 e 5.000 Hz.
Temos então para o som, 1 (um) tipo de detector, sensível a uma faixa de frequências e de intensidades que chamamos de espectro sonoro. É um único canal para sons graves, médios e agudos. Um único “par de números” que informa sobre frequência e volume, é enviado ao cérebro. Cada um desses números varia entre mínimos e máximos e essa gradação é percebida e entendida pelo cérebro produzindo a sensação sonora.
Agora é que vem a diferença para a luz e que faz as cores: para as ondas luminosas nós temos 3 (três) canais diferentes que enviam informações ao cérebro. Mas eles não “vibram junto” com a frequência da luz que recebem. Na nossa retina temos células para condições de pouca luz, visão noturna, chamadas bastonetes, e células para condições de luz do dia, visão diurna, chamadas cones. São estas últimas que veem as cores. Mas atenção: mesmo os cones medem apenas intensidades, não distinguem comprimentos de onda. Isso pode parecer estranho mas é fundamental: isoladamente os cones não distinguem cores.
Os cones existem em três tipos diferentes. Um primeiro grupo responde bem a ondas que chamamos S (vem de short no inglês e refere-se ao comprimento de onda), outro grupo a ondas M (medium) e o último é o L (long). São os cones que nos fazem distinguir faixas no espectro luminoso que chamamos de cores. Os cones S, M e L são como 3 sentinelas postados ao longo do espectro visível e eles não dizem qual comprimento de onda está chegando, dizem apenas “o meu comprimento de onda está chegando com intensidade tal” ou “está chegando forte, está chegando fraco”. “Meu comprimento” significa aqui o comprimento de onda para o qual o cone é mais sensível.
O gráfico acima (fonte Wikipedia) mostra o espectro luminoso indo de 400 a 700 nm (nano metro, ou 10-9 metros) em comprimento de onda (wavelenght). As curvas em forma de sino representam as sensibilidades de cada tipo de cone. O short, quando recebe luz abaixo de 400 nm não vê nada, vai a zero, não transmite nada . Não é estimulado por ondas eletromagnéticas com frequências menores que 400 nm. A partir daí eles começam a mostrar mais e mais sensibilidade e por volta de 420–440 nm temos a melhor resposta. Nesse comprimento de onda esses cones tem a melhor eficiência em transformar a luz em sinais que irão para o cérebro. Mas ele não distingue nada mesmo dentro de sua faixa, fica apenas mais ou menos sensível e envia um sinal que é o produto da intensidade da onda em si e de sua sensibilidade àquele comprimento de onda. O mesmo raciocínio se aplica aos cones medium, que estão na melhor faixa em torno de 534–555 nm, e os long que tem o melhor desempenho a 564–580 nm e ficam cegos a partir de 700 nm.
Mas novamente, eles não dizem “Oi, estou recebendo em 500 nm, agora estou recebendo em 550 nm”, pois o efeito causado pela luz não é fazer nada vibrar junto, como acontece com o som. O efeito é uma reação química e então o sinal é do tipo sim ou não, e caso sim, quanto. Quanto mais a comprimento de onda está próximo do pico, mais alteração foto-química ocorre, mas a alteração é sempre a mesma e não varia com o comprimento de onda.
Então, digamos que os nossos 3 sentinelas ficam postados a 430, 540 e 570 nm. São o S, M e o L, respectivamente, na escala de comprimentos de ondas luminosas. O cérebro recebe desses três sentinelas apenas avisos de “tem muita” ou “tem pouca” onda chegando. Porém, isoladamente, nenhum diz “qual” onda está chegando. Bem diferente da situação em que o tímpano informa, de fato, “qual”, no sentido de que frequência de onda sonora, está chegando até ele. No caso da luz, essa é uma inferência que o cérebro faz a partir da comparação das informações recebidas de cada um dos 3 sentinelas.
Resumindo: o sensor sonoro é único, mas ele acompanha e informa a frequência da onda que recebe. Os sensores de luz não diferenciam frequências, enviam apenas informações de intensidade, mas sendo em número de 3, e cada um postado em um pedaço diferente do espectro, o cérebro consegue diferenciar as frequências de acordo com as combinações de intensidade desses três valores.
Cores são mais absolutas
A consequência dessa forma especial de avaliar o comprimento de onda a partir de 3 canais diferentes que medem apenas intensidade em uma faixa reduzida do espectro, é que o posicionamento absoluto da onda no espectro como um todo fica muito mais acurado. Tudo em nossa percepção funciona melhor por contrastes e detecção de intervalos do que por valores absolutos. Por exemplo, é mais fácil dizer se um intervalo entre notas musicais é de um tom, dois ou uma oitava, do que dizer que nota musical exatamente um som único representa. Com relação às cores, graças a esse sistema com 3 cones diferentes, o cérebro consegue se posicionar mais rapidamente e formular um modelo para representar as ondas que estão chegando na retina. Ele cria as faixas que chamamos de cores. Quando o canal S está dando sinais muito mais fortes que os outros, dizemos que temos violetas ou azuis. Quando é o canal L está dando sinais muito mais fortes, temos vermelhos. O canal M manda sinais por quase todo o espectro e quando ele está no seu pico o L também está em área de alta sensibilidade. Mas quando o M é preponderante estamos na área que chamamos de verde.
Consequência disso é que se eu tocar uma nota em uma flauta para você hoje e novamente amanhã, você dificilmente saberá dizer se foi a mesma nota. Porém, se eu lhe mostrar um tecido vermelho hoje e um outro tecido amanhã, você saberá dizer se as cores se repetem ou não com bastante precisão. É neste sentido que a percepção de cores é mais absoluta e menos relativa que a sonora. Outro exemplo: é possível se tocar uma música alguns tons acima ou abaixo, em outra escala, preservando-se bastante da música original, na impressão que causa. Cantores adequam a canção à sua tessitura vocal. Já um deslocamento de todo o espectro de cores em uma fotografia dificilmente irá passar despercebido e poderá mesmo conflitar com nossa percepção da cena representada em cores de objetos conhecidos.
A onda em si é apenas vibração em frequências diferentes, ela não tem “cores”, as cores são uma construção de nosso cérebro. Se tivéssemos apenas um tipo de cone, o M, por exemplo, a única coisa que poderíamos dizer sobre as diferentes partes de uma cena ou imagem, seria que ela é “clara ou escura”. Como temos 3 canais, dizemos que nossa visão é tri-cromática e conseguimos criar regiões distintas e avaliar comprimentos de onda diferentes e individualmente. Alguns animais, como as pombas, possuem visão penta-cromática e isso lhes dá maior precisão em posicionar comprimentos de onda de forma absoluta. Pensa-se que esta funcionalidade é importante para os animais no sentido de permitir-lhes distinguir presas, predadores e alimentos através de suas cores. Algum animal com visão monocromática teria dificuldade para dizer se uma fruta está madura ou não. A cor permanece perceptível e distinguível em uma extensa variação de claro e escuro. Do meio dia às cinco da tarde, da sombra para o sol. Conseguimos perceber um verde mesmo em condições de iluminação bastante variadas. A visão monocromática nunca sabe distinguir um verde mal iluminado de um azul bem iluminado, os dois podem ser traduzidos para uma mesma intensidade. Uma galinha provavelmente morreria de fome se tivesse que avaliar cada grão de milho por sua forma apenas.
Cores físicas e cores humanas
Até aqui consideramos como se a luz que recebemos em nossos olhos tivesse um único comprimento de onda. Essa é apenas uma condição teórica que ajuda ao não complicar muito logo de início. Também os instrumentos musicais produzem sons em frequências mais definidas e ajudam a falar de frequências sonoras, mas a maior parte do que ouvimos é na verdade um composto de muitas frequências nem sempre musicais.
Nos dois casos, luz e som, recebemos sempre uma mistura ou uma composição de muitos comprimentos de onda com intensidades também variadas. A luz que tem apenas um comprimento de onda é o que chamamos de uma luz espectral. Ela seria uma luz do arco-iris ou obtida por um prisma decompondo a luz branca. Já com um objeto comum, feito com um certo material e recebendo e refletindo uma certa luz, o que se projeta em nossa retina quando formamos a sua imagem trata-se de um composto de luz em muitos comprimentos de onda, cada um com sua própria intensidade.
O gráfico ao lado (fonte Wikipedia) mostra a distribuição da irradiação vs comprimento de onda do Sol, indo de UV até infra-vermelho e tendo ao centro o espectro visível. Em amarelo é o que sai do Sol e em vermelho o que chega à superfície da Terra depois de ser filtrado pela atmosfera. Vemos que todo o espectro está presente e que o pico está por volta de 500 nm. Esse composto, com toda a parte vermelha do gráfico, é a luz que convencionamos chamar de luz branca.
A luz que um objeto reflete ou emite, em termos de cor, é o que chamamos de “cor física”. Seria representada por um histograma indicando a presença e intensidade relativa de todos os comprimentos de onda presentes nessa luz. Seria uma porção de um espaço representado pelo cruzamento de infinitas dimensões de comprimentos de onda e infinitas dimensões de intensidades. Essa é a “cor física”. É o que o objeto de fato emite independentemente do que iremos fazer ou interpretar quando essa luz atravessar nossa pupila.
Aqui vem um fato que é fundamental para se entender sistemas de representação de cores em situações como máquinas fotográficas digitais, de filmes, impressoras e tudo que lide com cores: Não importa quão complexa e rica possa ser a luz que entra em nossos olhos, ela será traduzida e transformada em apenas três valores pelos cones S, M e L. Isso quer dizer que dois objetos emitindo luzes com distribuições bem diferentes podem resultar na mesma trinca S, M e L e diremos que os dois têm a mesma cor. Essa cor que lhe atribuímos é a “cor humana”, que nada mais é que a tradução de uma “cor física” (uma distribuição de cores espectrais) para a trinca de valores com as quais nosso sistema visual é capaz de lidar.
Isso faz com que para se imprimir uma paisagem de um pôr de sol, não precisamos absolutamente (e isso é a salvação da indústria) fazer com que o papel emita a mesma distribuição de cores espectrais que alguém receberia se estivesse no local no momento da foto. Faz-se, para começar, uma compressão violenta nas intensidades e preserva-se com razoável precisão (para nossa percepção) as cores traduzidas para os valores tri-cromáticos humanos, aqueles lidos pelos cones S, M e L, correspondentes ao que alguém teria visto no por do sol no momento da foto. Ou seja, um determinado tom de laranja no céu, na cena real, continha milhões de frequências luminosas em milhões de níveis de intensidade diferentes quando atravessavam a pupila de um observador. Quando chegavam na retina eram traduzidos a apenas três valores de S, M e L. Pois bem, mais tarde, olhando a foto impressa, uma gama muito mais pobre de frequências, baseada apenas em pigmentos ciano, magenta, amarelo, preto e o branco do papel, e com intensidades separadas apenas por um fator em torno de no máximo 100, se produzirem a mesma trinca de valores S, M e L, o observador da foto imediatamente reconheceria a cena que havia visto e avaliaria a reprodução de cores como fidelíssima.
O fato de que nossa percepção de uma distribuição de comprimentos de onda luminosa seja realizada por três sensores monocromáticos, cada um em uma área do espectro, faz com que distribuições de comprimentos de onda luminosa muito simples possam causar o mesmo efeito de outras muito complexas. Ou seja, vemos a mesma cor a partir de luzes muito diferentes entrando em nossos olhos. Isto é chave para qualquer sistema que pretenda reproduzir imagens a cores com alguma semelhança ao que perceberíamos olhando a cena que gerou as tais imagens. Não é notável que com 4 corantes ou pigmentos possamos reproduzir, no papel, fotografias dos mais diversos assuntos nas mais diversas condições de luz com uma verossimilhança enorme? É a simplificação que começa no nosso próprio sistema visual que torna isso possível.
Excelente texto. Obrigado por compartilhar conhecimento.