I finished my Ph. D. on the history of interferometry in the nineteenth century and am back teaching physics from Feb. 2012. My main interests and projects refer to science and physics teaching and diffusion (esp. for kids), history of science and epistemology, experimental physics and the role of adventure and non-conventional activities in all this. Supervisors: Carlos Benevenuto Guisard Koehler
The compensating plate was at the heart of the first interferometers developed at the beginning o... more The compensating plate was at the heart of the first interferometers developed at the beginning of the nineteenth century. A humble glass plate that could be pivoted around an axis, changing the angle of incidence of the incoming beam of light onto it. The apparent simplicity of the contraption hides its ingenuity: by turning the compensating plate around, the experimenter could increase or decrease the length of the path taken by light while moving within the glass, thus delaying it more or less on each arm of the interferometer, until conditions for interference could occur again. Specifically, the technique developed by the first interferometrists consisted of bringing the central maximum of interference back to its original position and then measuring the angle along which the compensating plate was turned, thus allowing for the calculation of whatever quantity was varied within the system.
This presentation aims at showing both the origins of the idea of the compensating plate and the uses made of it in the beginning of interferometry, displaying how the success achieved by these pioneering instruments were instrumental not only for the development of the following generations of interferometers, but also for the establishment of the undulatory theory of light itself.
These instruments also epitomize a transition period in the history of instrument making in which artisans and academicians worked closely together in the development of their measuring instruments.
Graças à descoberta do fenômeno da interferência luminosa, o início do século XIX reviveu o debat... more Graças à descoberta do fenômeno da interferência luminosa, o início do século XIX reviveu o debate sobre a natureza da luz, levando paulatinamente à aceitação do modelo ondulatório em detrimento da teoria da emissão (modelo corpuscular). A necessidade de imaginar um meio material – o éter luminífero – no qual a onda luminosa se propaga e a multiplicidade de fenômenos de que ele precisava dar conta obrigou os cientistas da época a uma série complexa de considerações sobre a natureza deste meio e sua relação com a matéria ordinária. Neste processo diversos modelos de éter surgiram. O trabalho de Fizeau de 1851 constitui uma tentativa de responder experimentalmente a questão de qual modelo de éter está correto. Os resultados por ele obtidos e seus pressupostos epistemológicos são aqui discutidos.
Fizeau percebeu que os modelos de éter até então propostos podiam ser agrupados em três tipos, segundo a relação do éter com a matéria ordinária no interior de corpos transparentes. Nestes modelos ou bem (1) o éter estaria como que fixo às moléculas dos corpos, e partilharia com eles de seu movimento; ou bem (2) o éter é livre e independente, não sendo afetado pelo movimento das moléculas dos corpos; ou, finalmente, (3) uma parte do éter é livre e uma parte como que fixa às moléculas dos corpos. Utilizando métodos interferométricos, Fizeau foi capaz de propor um experimento para determinar a variação do índice de refração, e, por conseguinte, da velocidade da luz, de um meio transparente, inicialmente em repouso e a seguir em movimento em relação ao observador.
Os resultados estão consistentes com o terceiro modelo, corroborando a lei do arrasto parcial elaborada por Fresnel a partir da análise do fenômeno da aberração estelar.
Apesar da maestria experimental de Fizeau e dos resultados inquestionáveis, ele não é capaz de defender inequivocamente o modelo de Fresnel para o éter, talvez em virtude da permanência de uma imagem mecânica de éter cujo funcionamento – “mecanismo” – fosse claro. Tal dificuldade conceitual se verá presente mesmo nos trabalhos de cientistas muito posteriores, até a primeira metade do século XX.
Fizeau propõe originalmente seu experimento como um experimentum crucis, destinado a decidir qual modelo de éter está de acordo com a forma como a luz se propaga em meios materiais transparentes em movimento relativo. O resultado é claramente favorável ao modelo de Fresnel, porém Fizeau admite achá-lo conceitualmente tão estranho que clama por outras evidências e exames antes de defendê-lo como uma representação da realidade dos fenômenos.
Uma questão fundamental para a óptica do século XIX era a determinação das características do éte... more Uma questão fundamental para a óptica do século XIX era a determinação das características do éter luminífero, isto é, do meio no qual se propagavam as ondas luminosas. Os efeitos de aberração estelar e os desdobramentos das discussões sobre os modelos de éter ao longo do século levaram a diversos experimentos que buscavam detectar o movimento da Terra em relação ao éter. Um destes experimentos, hoje pouco lembrado, foi realizado pelo astrônomo holandês Martinus Hoek em 1868.
À frente do observatório de Utrecht, em 1861 o astrônomo holandês Martinus Hoek produziu uma obra de revisão da teoria e instrumentação em torno do efeito de aberração estelar à luz do modelo de Fresnel do éter. Sete anos mais tarde, baseando-se no experimento de Fizeau de 18512 da medição do coeficiente de arrasto de Fresnel (1-1/n^2), Hoek realizou um novo experimento no qual, ao orientar o interferômetro na direção leste-oeste, pôde introduzir a velocidade de rotação da Terra no cálculo do coeficiente de arrasto. Em sua montagem uma parte do feixe de luz atravessava uma coluna de água no mesmo sentido do movimento da Terra em relação ao éter, era refletido por um espelho e retornava sem atravessar a água, enquanto uma outra parte do feixe fazia o percurso inverso, e portanto atravessando a coluna de água no sentido inverso ao do movimento da Terra.
Hoek reportou não ter encontrado qualquer formação de franjas de interferência ao analisar a superposição dos feixes retornados, e mostrou que o resultado negativo estava de acordo com o modelo do arrasto parcial dentro de uma margem ainda mais exata que no trabalho de Fizeau.
É tentador dizer que o trabalho de Hoek situa-se, epistemologicamente, a meio caminho entre os experimentos de Fizeau e de Michelson e Morley, embora não conste que tenha sido uma influência explícita deste último.
Durante sua estada na Europa em 1881, o físico estadunidense Albert Michelson concebeu um experim... more Durante sua estada na Europa em 1881, o físico estadunidense Albert Michelson concebeu um experimento para detectar os efeitos de segunda ordem teoricamente mensuráveis relacionados ao movimento da Terra em relação ao éter luminífero, bem como o instrumento que permitiria um tal experimento. Nascia o interferômetro de Michelson, e começava a longa busca por um resultado positivo para o experimento. Enquanto isso a contração de FitzGerald-Lorentz, introduzida para explicar o resultado do experimento, ajudava a pavimentar o caminho em direção à Relatividade.
O resultado nulo obtido por Michelson em Potsdam em 1881 o levou a defender a idéia de que o éter deveria ser arrastado pela Terra em seu movimento, daí a impossibilidade de se detectar o “vento de éter” numa experiência feita na superfície da Terra. Instado por Thomson e Rayleigh, Michelson repetiu o experimento em 1887, com o auxílio de seu colega Edward Morley. O objetivo era testar as hipóteses de Fresnel de um éter estacionário e parcialmente arrastado pela matéria em movimento – esta segunda parte testada em 1886 através da repetição do experimento de Fizeau do arrasto do éter pela água em movimento. Michelson e Morley utilizaram um interferômetro muito aperfeiçoado em relação ao experimento original de Potsdam, mas mesmo assim os resultados obtidos ficaram dentro da margem de erro de leitura do aparelho, isto é, praticamente nulos. No entanto, as medições subseqüentes em diferentes épocas do ano nunca chegaram a ser feitas. Estas e outras considerações levariam a novas repetições do experimento por Morley e Dayton Miller (1902-04), Dayton Miller (1921, 1923-24, 1924, 1925-26), Tomaschek (1924), Kennedy (1926), Illingworth (1927), Piccard e Stahel (1927), Michelson et. al. (1929) e Joos (1930), a despeito do desenvolvimento e progressiva aceitação da Teoria da Relatividade pela comunidade científica.
A persistência da busca por evidências experimentais de um “vento de éter” mesmo mais de um quarto de século depois do advento da Relatividade Restrita, através de experimentos caros e de longa duração, evidencia o quanto a edificação de um novo paradigma é um processo tortuoso e, muitas vezes, demorado. Se é discutível que os resultados obtidos por Michelson e Morley em 1887 tiveram um papel na gênese da Relatividade, parece evidente pelo número de repetições que o experimento teve que seu papel na aceitação da Relatividade não pode ser desprezado.
A descoberta do fenômeno da interferência luminosa por Thomas Young (1773-1829) constituiu um dos... more A descoberta do fenômeno da interferência luminosa por Thomas Young (1773-1829) constituiu um dos pontos fulcrais para a recuperação e eventual triunfo da teoria ondulatória da luz no século dezenove. O fenômeno permitiu não apenas explicar diversas observações e resultados à luz do modelo ondulatório (anéis de Newton, cores em filmes finos, difração) mas também projetar montagens experimentais inéditas que foram importantes para a evolução da ciência no período, em particular da física.
A análise destas montagens revela que as técnicas interferométricas cumpriram diferentes papéis ao longo do processo. Assim, enquanto diversas das montagens iniciais, como o experimento da fenda dupla de Young, o espelho de Lloyd, as meias-lentes de Billet, o espelho duplo e o biprisma de Fresnel, tiveram como objetivo justificar a hipótese ondulatória e demonstrar inequivocamente as características ondulatórias da luz no contexto do debate sobre sua natureza, outras montagens, como os experimentos de Augustin Fresnel (1788-1827) e François Arago (1786-1853) que levaram à determinação das leis que regem a interferência de luz polarizada, participaram de um contexto de descoberta e remodelagem.
A seguir surgiram diversas montagens com o objetivo de utilizar o efeito da variação de uma grandeza específica do sistema sobre as características das franjas de interferência projetadas, de modo a ser capaz de medir propriedades do sistema com exatidão inédita. Assim surgiam os primeiros interferômetros propriamente ditos ("refratômetros", no linguajar da época), como o duplo tubo de Arago, com que o índice de refração do ar úmido pôde ser comparado ao do ar seco para efeito de correção de medições telescópicas devida à umidade atmosférica, e o interferômetro de Jamin, criado por Jules Jamin (1818-1886), com o qual efeitos de pressão e temperatura sobre a propagação da luz em meios fluidos puderam ser estudados. Até o final do século o interferômetro de Jamin inspiraria o desenvolvimento do interferômetro de Mach-Zehnder, ainda hoje uma ferramenta importante para pesquisas nas mais variadas áreas.
Em particular a interferometria teve grande crescimento com os trabalhos de Hippolyte Fizeau (1819-1896) e Albert A. Michelson (1852-1931), que vislumbraram aplicações da interferometria a diversos campos, como por exemplo: ao estudo de linhas espectrais, lançando os fundamentos da moderna espectroscopia; à medição de dimensões angulares extremamente diminutas, permitindo as primeiras medições de diâmetros estelares; à metrologia dimensional, levando em última instância à redefinição do metro; e finalmente aos problemas envolvendo a chamada "óptica dos corpos em movimento", em que o experimento do arrasto do éter comunicado por Fizeau em 1851 e os experimentos de Michelson (1881) e de Michelson-Morley (1887) constituíram base empírica fundamental para o estudo do éter luminífero e de sua interação com a matéria ordinária, e para o desenvolvimento das idéias sobre a relatividade dos movimentos.
Os interferômetros se impuseram como um dos ítens mais versáteis e fundamentais do arsenal de ferramentas da ciência, e hoje estão presentes em praticamente todas as áreas de pesquisa nas ciências naturais, com um grau de sofisticação cada vez maior.
Éter e Estrutura da Matéria no Século Dezenove
A questão da existência de um meio sutil capaz ... more Éter e Estrutura da Matéria no Século Dezenove
A questão da existência de um meio sutil capaz de suportar e propagar fenômenos ondulatórios por todo o espaço, e sua relação com a natureza íntima da matéria, foi uma das questões cruciais, se não a mais crucial, para as ciências físicas durante o século dezenove. As origens do problema podem ser remontadas ao antigo pneuma dos estóicos (um plenum criador de forças e vida), em sua disputa contra a concepção de um mundo constituído apenas por “átomos e vazio”, conforme defendiam os epicuristas e demais atomistas (ver, por exemplo, Sambursky, Abrantes, Martins...). Mas para voltar ao cerne de nosso tema, podemos citar William Thomson, Lord Kelvin, que na década de 1890 não hesitou em afirmar que a questão do éter era a mais fundamental da física de sua época.
O objetivo deste trabalho é focalizar algumas características que tornam o estudo da adoção – e posterior abandono – de certos modelos de éter, uma ferramenta que ajudou a forjar algumas das concepções fundamentais da física clássica de então, e sua eventual transformação revolucionária com o abandono einsteiniano do próprio conceito de éter. O trabalho concentra-se na definição e interpretação de uma família de concepções que podemos tratar como éter(-es) “clássico(s)”, luminíferos e eletromagnéticos, concebidos ao longo do século XIX. Este conjunto exclui, portanto, o plenum material de Descartes, bem como outras tentativas de oferecer explicações para a questão da gravitação newtoniana.
A “moderna” teoria do éter ganhou impulso com o estabelecimento da teoria ondulatória da luz, com Young e Fresnel, nas primeiras décadas do século dezenove. O assim chamado “éter luminífero” seria o suporte de propagação das ondas luminosas, em analogia próxima à já efetuada e bem sucedida redução da acústica à mecânica ondulatória. O éter luminífero, entretanto, logo começou a apresentar problemas teóricos muito graves, a partir da descoberta da polarização da luz e da consequente hipótese, ou descoberta, da existência de ondas transversais – a analogia acústica fazia-se por meio de ondas longitudinais – principalmente após os trabalhos de Malus e Arago e de Brewster. Outras questões associadas ao éter luminífero referiam-se ao problema do “arrasto” do éter pelo movimento da Terra, evidenciado experimentalmente desde os anos 1700 pela aberração estelar. Tais questões levaram ao desenvolvimento de técnicas sofisticadas de medição da velocidade da luz, com o desenvolvimento de interferômetros cada vez mais sensíveis – mais de vinte modelos foram desenvolvidos ao longo do século XIX, dentre os quais destaca-se o de Michelson, mais tarde associado aos famosos experimentos de medição (de resultados nulos) do “vento de éter” e das discussões relacionadas com a teoria da relatividade.
O desenvolvimento das teorias de eletricidade e magnetismo, mais tarde unificadas com a óptica através dos trabalhos de J. C. Maxwell, incentivaram um número crescente de teorias e experimentos ligados a outros variados tipos de éter, em geral chamados de éteres eletromagnéticos. A teoria da elasticidade também desenvolveu-se bastante em função da necessidade de explicar meios tão exóticos, fluidos, sutis, rígidos ou mecânicos ao mesmo tempo. Os principais cientistas da época adiantaram suas próprias hipóteses para diferentes éteres; entre muitos, podemos citar Fresnel, Stokes, Green, W. Thomson, J. J. Thomson, Boussinesq, Lorentz, Fitzgerald, Lodge e muitos outros. É interessante salientar que tratava-se de uma questão tão crucial que vários destes cientistas ensaiaram vários éteres diferentes, inclusive o próprio Maxwell.
Algumas questões universais e centrais para toda a ciência foram atacadas através de teorias de éter. O problema do referencial inercial absoluto do espaço, que remonta a Newton, é o mais famoso deles. As interações entre radiação e matéria, principalmente com o desenvolvimento da espectroscopia por Kirchhoff e Bunsen, a partir da década de 1850, levou o problema também para o cerne da química e da estrutura da matéria. O estabelecimento das séries espectroscópicas, a partir de Balmer, exigia explicações teóricas que a química e a física clássicas não conseguiam resolver. Surgiu então uma espécie de “dualidade” pré-quântica, entre o mundo contínuo do éter e o mundo discreto dos átomos e moléculas da química. Foi diante de tal desafio que W. Thomson (a partir de idéias da teoria acústica de Helmholz, de 1867), seguido depois por J. J. Thomson e J. C. Maxwell, entre outros, desenvolveu a teoria dos átomos formados por vórtices de éter, na tentativa de unificar as duas visões de mundo e explicar os espectros atômicos e moleculares – tarefa levada a efeito mais de meio século mais tarde por Bohr, De Broglie, Schroedinger, Pauli e outros físicos e químicos da era quântica.
The undulatory theory of light as proposed by Thomas Young (1773-1829) and Augustin Fresnel (1788... more The undulatory theory of light as proposed by Thomas Young (1773-1829) and Augustin Fresnel (1788-1827) in the beginning of the XIXth century gained gradual and general acceptance along roughly the first two or three decades of the century until it became the indisputable paradigm in the field of Optics, until at least Einstein's work on photoelectricity in 1905. The theory was based in the idea that light propagated within a specific medium, whose physical properties were a matter of debate throughout the century. This work focuses on the role played by interferometry in this debate. Although the first experimental setups were devised mostly to demonstrate the phenomenon of interference, soon the new technique was put to more auspicious endeavours by François Arago (1786-1853), Fresnel and others. Through interferometric setups were discovered the laws of interference of polarized light, which eventually converged to the idea of light being a transverse wave, and new measurements with unprecedented accuracy. With the following generations of undulatorists the technique was developed and experimental verification of properties of the optics of moving bodies and other correlated applications was made possible. Finally by the final quarter of the century there was Albert Michelson's (1852-1931) contribution, introducing an interferometric device capable of detecting the theoretically predicted second-order effect generated by the motion of the Earth through the aether, and its consequences and applications. Interferometry was then instrumental for the acceptance of an aether, for the discovery of its properties, and even for its dismissal from orthodox Physics.
"Not only the relationship between theory and experimentation is of great interest in the develop... more "Not only the relationship between theory and experimentation is of great interest in the development and history of physics, but also the contexts in which experiments are conceived, realized or repeated may add meaningful insight on the processes by which physics and science in general evolve. The case of Fizeau's aether drag experiment of 1851 and its “repetitions” by Michelson and Morley in 1886 and by Zeeman in 1914 is an example of how the same experiment performs very different heuristic roles in different contexts.
Fizeau originally proposed his experiment to address one of the most fundamental scientific questions of his time, viz.: if light is a wave in an all-pervading lightbearing medium – the luminiferous aether –, then what happens to the velocity of propagation of light in a moving transparent medium such as glass or water? Fizeau's experiment has since then been celebrated as an achievement of ingenuity and experimental expertise. Nonetheless, his results seemed puzzling to Fizeau himself and did not establish unequivocally any aether model, thus failing as a crucial experiment.
Michelson and Morley's “repetition” of Fizeau's experiment 35 years later was interesting mostly due to some advancement in instrumentation. Stepping on Michelson's own novel interferometric designs the authors managed to readdress the questions involving the optics of moving media. Their conclusions did not differ from Fizeau's, but pushed the accuracy of its results further up and gave insight for their famous experiment of 1887.
Michelson and Morley's 1886 setup was retaken by Zeeman from 1914 on as an experimental basis for his own research program. Now there was basically no advancement on the instrumentation, or at least not in the optical part of it, but there had been major modifications in the theoretical framing of the optics of moving transparent bodies with the establishment of the theory of relativity in the very first decade of the century. In particular Zeeman is interested in testing Lorentz's coefficient, a dispersive (i. e., wavelength-dependent) term introduced as a necessary addition to Fresnel's drag coefficient. He concludes for the correctness of the term, fitting in with the new paradigm.
The same experiment was performed in different contexts and for different reasons, yielding different consequences. Hence subtracting the context from an experiment cannot lead to a full understanding of it, even within an internalist view of science.
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Este trabalho descreve a trajetória da interferometria no século XIX e início do século XX, mostr... more Este trabalho descreve a trajetória da interferometria no século XIX e início do século XX, mostrando o importante papel desempenhado pelas técnicas interferométricas na evolução das idéias da física do período.
O ensino e o aprendizado de fisica, bem como das outras ciencias naturais, leva os professores e ... more O ensino e o aprendizado de fisica, bem como das outras ciencias naturais, leva os professores e estudantes destas disciplinas a enfrentar uma serie de dificuldades em sua relacao pedagogica. Na opiniao do autor, a mais profunda delas diz respeito ao pouco prazer experimentado tanto por docentes quanto por discentes no processo. O presente artigo objetiva nao apenas resgatar a discussao da questao, mas tambem oferecer um exemplo de estrategia de superacao do problema sob a perspectiva do Nucleo de Atividades em Fisica do CAp-UFRJ e suas “Aventuras Cientificas”.
RESUMO O trabalho intitulado Sherlock em Quadrinhos, desenvolvido com duas turmas do 7º ano do en... more RESUMO O trabalho intitulado Sherlock em Quadrinhos, desenvolvido com duas turmas do 7º ano do ensino fundamental do Colégio de Aplicação da UFRJ ao longo do ano letivo de 2018, consistiu na leitura, interpretação e adaptação coletiva de contos de Sherlock Holmes para quadrinhos. Nessa conjuntura, o conhecimento, a análise literária e o processo de compreensão do gênero quadrinhos, bem como da estrutura da narrativa policial e do gênero conto foram etapas imprescindíveis para tornar possível as suas apropriações pelos estudantes, viabilizando o trabalho de retextualização proposto pelo projeto. Isso só foi possível a partir de uma abordagem interdisciplinar que contou com professores de outras disciplinas e alunos de outras séries, cujo envolvimento incluía a atuação como instrutores dos estudantes do 7º ano em parceria com os docentes, auxiliando os alunos com os conhecimentos técnicos específicos. Além de descrever a idealização, a realização e os resultados do referido projeto, o...
O ensino e o aprendizado de física, bem como das outras ciências naturais, leva os professores e ... more O ensino e o aprendizado de física, bem como das outras ciências naturais, leva os professores e estudantesdestas disciplinas a enfrentar uma série de dificuldades em sua relação pedagógica. Na opinião do autor, amais profunda delas diz respeito ao pouco prazer experimentado tanto por docentes quanto por discentes no processo. O presente artigo objetiva não apenas resgatar a discussão da questão, mas também oferecer um exemplo de estratégia de superação do problema sob a perspectiva do Núcleo de Atividades em Física do CAp-UFRJ e suas “Aventuras Científicas”.
The compensating plate was at the heart of the first interferometers developed at the beginning o... more The compensating plate was at the heart of the first interferometers developed at the beginning of the nineteenth century. A humble glass plate that could be pivoted around an axis, changing the angle of incidence of the incoming beam of light onto it. The apparent simplicity of the contraption hides its ingenuity: by turning the compensating plate around, the experimenter could increase or decrease the length of the path taken by light while moving within the glass, thus delaying it more or less on each arm of the interferometer, until conditions for interference could occur again. Specifically, the technique developed by the first interferometrists consisted of bringing the central maximum of interference back to its original position and then measuring the angle along which the compensating plate was turned, thus allowing for the calculation of whatever quantity was varied within the system.
This presentation aims at showing both the origins of the idea of the compensating plate and the uses made of it in the beginning of interferometry, displaying how the success achieved by these pioneering instruments were instrumental not only for the development of the following generations of interferometers, but also for the establishment of the undulatory theory of light itself.
These instruments also epitomize a transition period in the history of instrument making in which artisans and academicians worked closely together in the development of their measuring instruments.
Graças à descoberta do fenômeno da interferência luminosa, o início do século XIX reviveu o debat... more Graças à descoberta do fenômeno da interferência luminosa, o início do século XIX reviveu o debate sobre a natureza da luz, levando paulatinamente à aceitação do modelo ondulatório em detrimento da teoria da emissão (modelo corpuscular). A necessidade de imaginar um meio material – o éter luminífero – no qual a onda luminosa se propaga e a multiplicidade de fenômenos de que ele precisava dar conta obrigou os cientistas da época a uma série complexa de considerações sobre a natureza deste meio e sua relação com a matéria ordinária. Neste processo diversos modelos de éter surgiram. O trabalho de Fizeau de 1851 constitui uma tentativa de responder experimentalmente a questão de qual modelo de éter está correto. Os resultados por ele obtidos e seus pressupostos epistemológicos são aqui discutidos.
Fizeau percebeu que os modelos de éter até então propostos podiam ser agrupados em três tipos, segundo a relação do éter com a matéria ordinária no interior de corpos transparentes. Nestes modelos ou bem (1) o éter estaria como que fixo às moléculas dos corpos, e partilharia com eles de seu movimento; ou bem (2) o éter é livre e independente, não sendo afetado pelo movimento das moléculas dos corpos; ou, finalmente, (3) uma parte do éter é livre e uma parte como que fixa às moléculas dos corpos. Utilizando métodos interferométricos, Fizeau foi capaz de propor um experimento para determinar a variação do índice de refração, e, por conseguinte, da velocidade da luz, de um meio transparente, inicialmente em repouso e a seguir em movimento em relação ao observador.
Os resultados estão consistentes com o terceiro modelo, corroborando a lei do arrasto parcial elaborada por Fresnel a partir da análise do fenômeno da aberração estelar.
Apesar da maestria experimental de Fizeau e dos resultados inquestionáveis, ele não é capaz de defender inequivocamente o modelo de Fresnel para o éter, talvez em virtude da permanência de uma imagem mecânica de éter cujo funcionamento – “mecanismo” – fosse claro. Tal dificuldade conceitual se verá presente mesmo nos trabalhos de cientistas muito posteriores, até a primeira metade do século XX.
Fizeau propõe originalmente seu experimento como um experimentum crucis, destinado a decidir qual modelo de éter está de acordo com a forma como a luz se propaga em meios materiais transparentes em movimento relativo. O resultado é claramente favorável ao modelo de Fresnel, porém Fizeau admite achá-lo conceitualmente tão estranho que clama por outras evidências e exames antes de defendê-lo como uma representação da realidade dos fenômenos.
Uma questão fundamental para a óptica do século XIX era a determinação das características do éte... more Uma questão fundamental para a óptica do século XIX era a determinação das características do éter luminífero, isto é, do meio no qual se propagavam as ondas luminosas. Os efeitos de aberração estelar e os desdobramentos das discussões sobre os modelos de éter ao longo do século levaram a diversos experimentos que buscavam detectar o movimento da Terra em relação ao éter. Um destes experimentos, hoje pouco lembrado, foi realizado pelo astrônomo holandês Martinus Hoek em 1868.
À frente do observatório de Utrecht, em 1861 o astrônomo holandês Martinus Hoek produziu uma obra de revisão da teoria e instrumentação em torno do efeito de aberração estelar à luz do modelo de Fresnel do éter. Sete anos mais tarde, baseando-se no experimento de Fizeau de 18512 da medição do coeficiente de arrasto de Fresnel (1-1/n^2), Hoek realizou um novo experimento no qual, ao orientar o interferômetro na direção leste-oeste, pôde introduzir a velocidade de rotação da Terra no cálculo do coeficiente de arrasto. Em sua montagem uma parte do feixe de luz atravessava uma coluna de água no mesmo sentido do movimento da Terra em relação ao éter, era refletido por um espelho e retornava sem atravessar a água, enquanto uma outra parte do feixe fazia o percurso inverso, e portanto atravessando a coluna de água no sentido inverso ao do movimento da Terra.
Hoek reportou não ter encontrado qualquer formação de franjas de interferência ao analisar a superposição dos feixes retornados, e mostrou que o resultado negativo estava de acordo com o modelo do arrasto parcial dentro de uma margem ainda mais exata que no trabalho de Fizeau.
É tentador dizer que o trabalho de Hoek situa-se, epistemologicamente, a meio caminho entre os experimentos de Fizeau e de Michelson e Morley, embora não conste que tenha sido uma influência explícita deste último.
Durante sua estada na Europa em 1881, o físico estadunidense Albert Michelson concebeu um experim... more Durante sua estada na Europa em 1881, o físico estadunidense Albert Michelson concebeu um experimento para detectar os efeitos de segunda ordem teoricamente mensuráveis relacionados ao movimento da Terra em relação ao éter luminífero, bem como o instrumento que permitiria um tal experimento. Nascia o interferômetro de Michelson, e começava a longa busca por um resultado positivo para o experimento. Enquanto isso a contração de FitzGerald-Lorentz, introduzida para explicar o resultado do experimento, ajudava a pavimentar o caminho em direção à Relatividade.
O resultado nulo obtido por Michelson em Potsdam em 1881 o levou a defender a idéia de que o éter deveria ser arrastado pela Terra em seu movimento, daí a impossibilidade de se detectar o “vento de éter” numa experiência feita na superfície da Terra. Instado por Thomson e Rayleigh, Michelson repetiu o experimento em 1887, com o auxílio de seu colega Edward Morley. O objetivo era testar as hipóteses de Fresnel de um éter estacionário e parcialmente arrastado pela matéria em movimento – esta segunda parte testada em 1886 através da repetição do experimento de Fizeau do arrasto do éter pela água em movimento. Michelson e Morley utilizaram um interferômetro muito aperfeiçoado em relação ao experimento original de Potsdam, mas mesmo assim os resultados obtidos ficaram dentro da margem de erro de leitura do aparelho, isto é, praticamente nulos. No entanto, as medições subseqüentes em diferentes épocas do ano nunca chegaram a ser feitas. Estas e outras considerações levariam a novas repetições do experimento por Morley e Dayton Miller (1902-04), Dayton Miller (1921, 1923-24, 1924, 1925-26), Tomaschek (1924), Kennedy (1926), Illingworth (1927), Piccard e Stahel (1927), Michelson et. al. (1929) e Joos (1930), a despeito do desenvolvimento e progressiva aceitação da Teoria da Relatividade pela comunidade científica.
A persistência da busca por evidências experimentais de um “vento de éter” mesmo mais de um quarto de século depois do advento da Relatividade Restrita, através de experimentos caros e de longa duração, evidencia o quanto a edificação de um novo paradigma é um processo tortuoso e, muitas vezes, demorado. Se é discutível que os resultados obtidos por Michelson e Morley em 1887 tiveram um papel na gênese da Relatividade, parece evidente pelo número de repetições que o experimento teve que seu papel na aceitação da Relatividade não pode ser desprezado.
A descoberta do fenômeno da interferência luminosa por Thomas Young (1773-1829) constituiu um dos... more A descoberta do fenômeno da interferência luminosa por Thomas Young (1773-1829) constituiu um dos pontos fulcrais para a recuperação e eventual triunfo da teoria ondulatória da luz no século dezenove. O fenômeno permitiu não apenas explicar diversas observações e resultados à luz do modelo ondulatório (anéis de Newton, cores em filmes finos, difração) mas também projetar montagens experimentais inéditas que foram importantes para a evolução da ciência no período, em particular da física.
A análise destas montagens revela que as técnicas interferométricas cumpriram diferentes papéis ao longo do processo. Assim, enquanto diversas das montagens iniciais, como o experimento da fenda dupla de Young, o espelho de Lloyd, as meias-lentes de Billet, o espelho duplo e o biprisma de Fresnel, tiveram como objetivo justificar a hipótese ondulatória e demonstrar inequivocamente as características ondulatórias da luz no contexto do debate sobre sua natureza, outras montagens, como os experimentos de Augustin Fresnel (1788-1827) e François Arago (1786-1853) que levaram à determinação das leis que regem a interferência de luz polarizada, participaram de um contexto de descoberta e remodelagem.
A seguir surgiram diversas montagens com o objetivo de utilizar o efeito da variação de uma grandeza específica do sistema sobre as características das franjas de interferência projetadas, de modo a ser capaz de medir propriedades do sistema com exatidão inédita. Assim surgiam os primeiros interferômetros propriamente ditos ("refratômetros", no linguajar da época), como o duplo tubo de Arago, com que o índice de refração do ar úmido pôde ser comparado ao do ar seco para efeito de correção de medições telescópicas devida à umidade atmosférica, e o interferômetro de Jamin, criado por Jules Jamin (1818-1886), com o qual efeitos de pressão e temperatura sobre a propagação da luz em meios fluidos puderam ser estudados. Até o final do século o interferômetro de Jamin inspiraria o desenvolvimento do interferômetro de Mach-Zehnder, ainda hoje uma ferramenta importante para pesquisas nas mais variadas áreas.
Em particular a interferometria teve grande crescimento com os trabalhos de Hippolyte Fizeau (1819-1896) e Albert A. Michelson (1852-1931), que vislumbraram aplicações da interferometria a diversos campos, como por exemplo: ao estudo de linhas espectrais, lançando os fundamentos da moderna espectroscopia; à medição de dimensões angulares extremamente diminutas, permitindo as primeiras medições de diâmetros estelares; à metrologia dimensional, levando em última instância à redefinição do metro; e finalmente aos problemas envolvendo a chamada "óptica dos corpos em movimento", em que o experimento do arrasto do éter comunicado por Fizeau em 1851 e os experimentos de Michelson (1881) e de Michelson-Morley (1887) constituíram base empírica fundamental para o estudo do éter luminífero e de sua interação com a matéria ordinária, e para o desenvolvimento das idéias sobre a relatividade dos movimentos.
Os interferômetros se impuseram como um dos ítens mais versáteis e fundamentais do arsenal de ferramentas da ciência, e hoje estão presentes em praticamente todas as áreas de pesquisa nas ciências naturais, com um grau de sofisticação cada vez maior.
Éter e Estrutura da Matéria no Século Dezenove
A questão da existência de um meio sutil capaz ... more Éter e Estrutura da Matéria no Século Dezenove
A questão da existência de um meio sutil capaz de suportar e propagar fenômenos ondulatórios por todo o espaço, e sua relação com a natureza íntima da matéria, foi uma das questões cruciais, se não a mais crucial, para as ciências físicas durante o século dezenove. As origens do problema podem ser remontadas ao antigo pneuma dos estóicos (um plenum criador de forças e vida), em sua disputa contra a concepção de um mundo constituído apenas por “átomos e vazio”, conforme defendiam os epicuristas e demais atomistas (ver, por exemplo, Sambursky, Abrantes, Martins...). Mas para voltar ao cerne de nosso tema, podemos citar William Thomson, Lord Kelvin, que na década de 1890 não hesitou em afirmar que a questão do éter era a mais fundamental da física de sua época.
O objetivo deste trabalho é focalizar algumas características que tornam o estudo da adoção – e posterior abandono – de certos modelos de éter, uma ferramenta que ajudou a forjar algumas das concepções fundamentais da física clássica de então, e sua eventual transformação revolucionária com o abandono einsteiniano do próprio conceito de éter. O trabalho concentra-se na definição e interpretação de uma família de concepções que podemos tratar como éter(-es) “clássico(s)”, luminíferos e eletromagnéticos, concebidos ao longo do século XIX. Este conjunto exclui, portanto, o plenum material de Descartes, bem como outras tentativas de oferecer explicações para a questão da gravitação newtoniana.
A “moderna” teoria do éter ganhou impulso com o estabelecimento da teoria ondulatória da luz, com Young e Fresnel, nas primeiras décadas do século dezenove. O assim chamado “éter luminífero” seria o suporte de propagação das ondas luminosas, em analogia próxima à já efetuada e bem sucedida redução da acústica à mecânica ondulatória. O éter luminífero, entretanto, logo começou a apresentar problemas teóricos muito graves, a partir da descoberta da polarização da luz e da consequente hipótese, ou descoberta, da existência de ondas transversais – a analogia acústica fazia-se por meio de ondas longitudinais – principalmente após os trabalhos de Malus e Arago e de Brewster. Outras questões associadas ao éter luminífero referiam-se ao problema do “arrasto” do éter pelo movimento da Terra, evidenciado experimentalmente desde os anos 1700 pela aberração estelar. Tais questões levaram ao desenvolvimento de técnicas sofisticadas de medição da velocidade da luz, com o desenvolvimento de interferômetros cada vez mais sensíveis – mais de vinte modelos foram desenvolvidos ao longo do século XIX, dentre os quais destaca-se o de Michelson, mais tarde associado aos famosos experimentos de medição (de resultados nulos) do “vento de éter” e das discussões relacionadas com a teoria da relatividade.
O desenvolvimento das teorias de eletricidade e magnetismo, mais tarde unificadas com a óptica através dos trabalhos de J. C. Maxwell, incentivaram um número crescente de teorias e experimentos ligados a outros variados tipos de éter, em geral chamados de éteres eletromagnéticos. A teoria da elasticidade também desenvolveu-se bastante em função da necessidade de explicar meios tão exóticos, fluidos, sutis, rígidos ou mecânicos ao mesmo tempo. Os principais cientistas da época adiantaram suas próprias hipóteses para diferentes éteres; entre muitos, podemos citar Fresnel, Stokes, Green, W. Thomson, J. J. Thomson, Boussinesq, Lorentz, Fitzgerald, Lodge e muitos outros. É interessante salientar que tratava-se de uma questão tão crucial que vários destes cientistas ensaiaram vários éteres diferentes, inclusive o próprio Maxwell.
Algumas questões universais e centrais para toda a ciência foram atacadas através de teorias de éter. O problema do referencial inercial absoluto do espaço, que remonta a Newton, é o mais famoso deles. As interações entre radiação e matéria, principalmente com o desenvolvimento da espectroscopia por Kirchhoff e Bunsen, a partir da década de 1850, levou o problema também para o cerne da química e da estrutura da matéria. O estabelecimento das séries espectroscópicas, a partir de Balmer, exigia explicações teóricas que a química e a física clássicas não conseguiam resolver. Surgiu então uma espécie de “dualidade” pré-quântica, entre o mundo contínuo do éter e o mundo discreto dos átomos e moléculas da química. Foi diante de tal desafio que W. Thomson (a partir de idéias da teoria acústica de Helmholz, de 1867), seguido depois por J. J. Thomson e J. C. Maxwell, entre outros, desenvolveu a teoria dos átomos formados por vórtices de éter, na tentativa de unificar as duas visões de mundo e explicar os espectros atômicos e moleculares – tarefa levada a efeito mais de meio século mais tarde por Bohr, De Broglie, Schroedinger, Pauli e outros físicos e químicos da era quântica.
The undulatory theory of light as proposed by Thomas Young (1773-1829) and Augustin Fresnel (1788... more The undulatory theory of light as proposed by Thomas Young (1773-1829) and Augustin Fresnel (1788-1827) in the beginning of the XIXth century gained gradual and general acceptance along roughly the first two or three decades of the century until it became the indisputable paradigm in the field of Optics, until at least Einstein's work on photoelectricity in 1905. The theory was based in the idea that light propagated within a specific medium, whose physical properties were a matter of debate throughout the century. This work focuses on the role played by interferometry in this debate. Although the first experimental setups were devised mostly to demonstrate the phenomenon of interference, soon the new technique was put to more auspicious endeavours by François Arago (1786-1853), Fresnel and others. Through interferometric setups were discovered the laws of interference of polarized light, which eventually converged to the idea of light being a transverse wave, and new measurements with unprecedented accuracy. With the following generations of undulatorists the technique was developed and experimental verification of properties of the optics of moving bodies and other correlated applications was made possible. Finally by the final quarter of the century there was Albert Michelson's (1852-1931) contribution, introducing an interferometric device capable of detecting the theoretically predicted second-order effect generated by the motion of the Earth through the aether, and its consequences and applications. Interferometry was then instrumental for the acceptance of an aether, for the discovery of its properties, and even for its dismissal from orthodox Physics.
"Not only the relationship between theory and experimentation is of great interest in the develop... more "Not only the relationship between theory and experimentation is of great interest in the development and history of physics, but also the contexts in which experiments are conceived, realized or repeated may add meaningful insight on the processes by which physics and science in general evolve. The case of Fizeau's aether drag experiment of 1851 and its “repetitions” by Michelson and Morley in 1886 and by Zeeman in 1914 is an example of how the same experiment performs very different heuristic roles in different contexts.
Fizeau originally proposed his experiment to address one of the most fundamental scientific questions of his time, viz.: if light is a wave in an all-pervading lightbearing medium – the luminiferous aether –, then what happens to the velocity of propagation of light in a moving transparent medium such as glass or water? Fizeau's experiment has since then been celebrated as an achievement of ingenuity and experimental expertise. Nonetheless, his results seemed puzzling to Fizeau himself and did not establish unequivocally any aether model, thus failing as a crucial experiment.
Michelson and Morley's “repetition” of Fizeau's experiment 35 years later was interesting mostly due to some advancement in instrumentation. Stepping on Michelson's own novel interferometric designs the authors managed to readdress the questions involving the optics of moving media. Their conclusions did not differ from Fizeau's, but pushed the accuracy of its results further up and gave insight for their famous experiment of 1887.
Michelson and Morley's 1886 setup was retaken by Zeeman from 1914 on as an experimental basis for his own research program. Now there was basically no advancement on the instrumentation, or at least not in the optical part of it, but there had been major modifications in the theoretical framing of the optics of moving transparent bodies with the establishment of the theory of relativity in the very first decade of the century. In particular Zeeman is interested in testing Lorentz's coefficient, a dispersive (i. e., wavelength-dependent) term introduced as a necessary addition to Fresnel's drag coefficient. He concludes for the correctness of the term, fitting in with the new paradigm.
The same experiment was performed in different contexts and for different reasons, yielding different consequences. Hence subtracting the context from an experiment cannot lead to a full understanding of it, even within an internalist view of science.
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Este trabalho descreve a trajetória da interferometria no século XIX e início do século XX, mostr... more Este trabalho descreve a trajetória da interferometria no século XIX e início do século XX, mostrando o importante papel desempenhado pelas técnicas interferométricas na evolução das idéias da física do período.
O ensino e o aprendizado de fisica, bem como das outras ciencias naturais, leva os professores e ... more O ensino e o aprendizado de fisica, bem como das outras ciencias naturais, leva os professores e estudantes destas disciplinas a enfrentar uma serie de dificuldades em sua relacao pedagogica. Na opiniao do autor, a mais profunda delas diz respeito ao pouco prazer experimentado tanto por docentes quanto por discentes no processo. O presente artigo objetiva nao apenas resgatar a discussao da questao, mas tambem oferecer um exemplo de estrategia de superacao do problema sob a perspectiva do Nucleo de Atividades em Fisica do CAp-UFRJ e suas “Aventuras Cientificas”.
RESUMO O trabalho intitulado Sherlock em Quadrinhos, desenvolvido com duas turmas do 7º ano do en... more RESUMO O trabalho intitulado Sherlock em Quadrinhos, desenvolvido com duas turmas do 7º ano do ensino fundamental do Colégio de Aplicação da UFRJ ao longo do ano letivo de 2018, consistiu na leitura, interpretação e adaptação coletiva de contos de Sherlock Holmes para quadrinhos. Nessa conjuntura, o conhecimento, a análise literária e o processo de compreensão do gênero quadrinhos, bem como da estrutura da narrativa policial e do gênero conto foram etapas imprescindíveis para tornar possível as suas apropriações pelos estudantes, viabilizando o trabalho de retextualização proposto pelo projeto. Isso só foi possível a partir de uma abordagem interdisciplinar que contou com professores de outras disciplinas e alunos de outras séries, cujo envolvimento incluía a atuação como instrutores dos estudantes do 7º ano em parceria com os docentes, auxiliando os alunos com os conhecimentos técnicos específicos. Além de descrever a idealização, a realização e os resultados do referido projeto, o...
O ensino e o aprendizado de física, bem como das outras ciências naturais, leva os professores e ... more O ensino e o aprendizado de física, bem como das outras ciências naturais, leva os professores e estudantesdestas disciplinas a enfrentar uma série de dificuldades em sua relação pedagógica. Na opinião do autor, amais profunda delas diz respeito ao pouco prazer experimentado tanto por docentes quanto por discentes no processo. O presente artigo objetiva não apenas resgatar a discussão da questão, mas também oferecer um exemplo de estratégia de superação do problema sob a perspectiva do Núcleo de Atividades em Física do CAp-UFRJ e suas “Aventuras Científicas”.
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Talks by Beto Pimentel
This presentation aims at showing both the origins of the idea of the compensating plate and the uses made of it in the beginning of interferometry, displaying how the success achieved by these pioneering instruments were instrumental not only for the development of the following generations of interferometers, but also for the establishment of the undulatory theory of light itself.
These instruments also epitomize a transition period in the history of instrument making in which artisans and academicians worked closely together in the development of their measuring instruments.
Fizeau percebeu que os modelos de éter até então propostos podiam ser agrupados em três tipos, segundo a relação do éter com a matéria ordinária no interior de corpos transparentes. Nestes modelos ou bem (1) o éter estaria como que fixo às moléculas dos corpos, e partilharia com eles de seu movimento; ou bem (2) o éter é livre e independente, não sendo afetado pelo movimento das moléculas dos corpos; ou, finalmente, (3) uma parte do éter é livre e uma parte como que fixa às moléculas dos corpos. Utilizando métodos interferométricos, Fizeau foi capaz de propor um experimento para determinar a variação do índice de refração, e, por conseguinte, da velocidade da luz, de um meio transparente, inicialmente em repouso e a seguir em movimento em relação ao observador.
Os resultados estão consistentes com o terceiro modelo, corroborando a lei do arrasto parcial elaborada por Fresnel a partir da análise do fenômeno da aberração estelar.
Apesar da maestria experimental de Fizeau e dos resultados inquestionáveis, ele não é capaz de defender inequivocamente o modelo de Fresnel para o éter, talvez em virtude da permanência de uma imagem mecânica de éter cujo funcionamento – “mecanismo” – fosse claro. Tal dificuldade conceitual se verá presente mesmo nos trabalhos de cientistas muito posteriores, até a primeira metade do século XX.
Fizeau propõe originalmente seu experimento como um experimentum crucis, destinado a decidir qual modelo de éter está de acordo com a forma como a luz se propaga em meios materiais transparentes em movimento relativo. O resultado é claramente favorável ao modelo de Fresnel, porém Fizeau admite achá-lo conceitualmente tão estranho que clama por outras evidências e exames antes de defendê-lo como uma representação da realidade dos fenômenos.
À frente do observatório de Utrecht, em 1861 o astrônomo holandês Martinus Hoek produziu uma obra de revisão da teoria e instrumentação em torno do efeito de aberração estelar à luz do modelo de Fresnel do éter. Sete anos mais tarde, baseando-se no experimento de Fizeau de 18512 da medição do coeficiente de arrasto de Fresnel (1-1/n^2), Hoek realizou um novo experimento no qual, ao orientar o interferômetro na direção leste-oeste, pôde introduzir a velocidade de rotação da Terra no cálculo do coeficiente de arrasto. Em sua montagem uma parte do feixe de luz atravessava uma coluna de água no mesmo sentido do movimento da Terra em relação ao éter, era refletido por um espelho e retornava sem atravessar a água, enquanto uma outra parte do feixe fazia o percurso inverso, e portanto atravessando a coluna de água no sentido inverso ao do movimento da Terra.
Hoek reportou não ter encontrado qualquer formação de franjas de interferência ao analisar a superposição dos feixes retornados, e mostrou que o resultado negativo estava de acordo com o modelo do arrasto parcial dentro de uma margem ainda mais exata que no trabalho de Fizeau.
É tentador dizer que o trabalho de Hoek situa-se, epistemologicamente, a meio caminho entre os experimentos de Fizeau e de Michelson e Morley, embora não conste que tenha sido uma influência explícita deste último.
O resultado nulo obtido por Michelson em Potsdam em 1881 o levou a defender a idéia de que o éter deveria ser arrastado pela Terra em seu movimento, daí a impossibilidade de se detectar o “vento de éter” numa experiência feita na superfície da Terra. Instado por Thomson e Rayleigh, Michelson repetiu o experimento em 1887, com o auxílio de seu colega Edward Morley. O objetivo era testar as hipóteses de Fresnel de um éter estacionário e parcialmente arrastado pela matéria em movimento – esta segunda parte testada em 1886 através da repetição do experimento de Fizeau do arrasto do éter pela água em movimento. Michelson e Morley utilizaram um interferômetro muito aperfeiçoado em relação ao experimento original de Potsdam, mas mesmo assim os resultados obtidos ficaram dentro da margem de erro de leitura do aparelho, isto é, praticamente nulos. No entanto, as medições subseqüentes em diferentes épocas do ano nunca chegaram a ser feitas. Estas e outras considerações levariam a novas repetições do experimento por Morley e Dayton Miller (1902-04), Dayton Miller (1921, 1923-24, 1924, 1925-26), Tomaschek (1924), Kennedy (1926), Illingworth (1927), Piccard e Stahel (1927), Michelson et. al. (1929) e Joos (1930), a despeito do desenvolvimento e progressiva aceitação da Teoria da Relatividade pela comunidade científica.
A persistência da busca por evidências experimentais de um “vento de éter” mesmo mais de um quarto de século depois do advento da Relatividade Restrita, através de experimentos caros e de longa duração, evidencia o quanto a edificação de um novo paradigma é um processo tortuoso e, muitas vezes, demorado. Se é discutível que os resultados obtidos por Michelson e Morley em 1887 tiveram um papel na gênese da Relatividade, parece evidente pelo número de repetições que o experimento teve que seu papel na aceitação da Relatividade não pode ser desprezado.
A análise destas montagens revela que as técnicas interferométricas cumpriram diferentes papéis ao longo do processo. Assim, enquanto diversas das montagens iniciais, como o experimento da fenda dupla de Young, o espelho de Lloyd, as meias-lentes de Billet, o espelho duplo e o biprisma de Fresnel, tiveram como objetivo justificar a hipótese ondulatória e demonstrar inequivocamente as características ondulatórias da luz no contexto do debate sobre sua natureza, outras montagens, como os experimentos de Augustin Fresnel (1788-1827) e François Arago (1786-1853) que levaram à determinação das leis que regem a interferência de luz polarizada, participaram de um contexto de descoberta e remodelagem.
A seguir surgiram diversas montagens com o objetivo de utilizar o efeito da variação de uma grandeza específica do sistema sobre as características das franjas de interferência projetadas, de modo a ser capaz de medir propriedades do sistema com exatidão inédita. Assim surgiam os primeiros interferômetros propriamente ditos ("refratômetros", no linguajar da época), como o duplo tubo de Arago, com que o índice de refração do ar úmido pôde ser comparado ao do ar seco para efeito de correção de medições telescópicas devida à umidade atmosférica, e o interferômetro de Jamin, criado por Jules Jamin (1818-1886), com o qual efeitos de pressão e temperatura sobre a propagação da luz em meios fluidos puderam ser estudados. Até o final do século o interferômetro de Jamin inspiraria o desenvolvimento do interferômetro de Mach-Zehnder, ainda hoje uma ferramenta importante para pesquisas nas mais variadas áreas.
Em particular a interferometria teve grande crescimento com os trabalhos de Hippolyte Fizeau (1819-1896) e Albert A. Michelson (1852-1931), que vislumbraram aplicações da interferometria a diversos campos, como por exemplo: ao estudo de linhas espectrais, lançando os fundamentos da moderna espectroscopia; à medição de dimensões angulares extremamente diminutas, permitindo as primeiras medições de diâmetros estelares; à metrologia dimensional, levando em última instância à redefinição do metro; e finalmente aos problemas envolvendo a chamada "óptica dos corpos em movimento", em que o experimento do arrasto do éter comunicado por Fizeau em 1851 e os experimentos de Michelson (1881) e de Michelson-Morley (1887) constituíram base empírica fundamental para o estudo do éter luminífero e de sua interação com a matéria ordinária, e para o desenvolvimento das idéias sobre a relatividade dos movimentos.
Os interferômetros se impuseram como um dos ítens mais versáteis e fundamentais do arsenal de ferramentas da ciência, e hoje estão presentes em praticamente todas as áreas de pesquisa nas ciências naturais, com um grau de sofisticação cada vez maior.
A questão da existência de um meio sutil capaz de suportar e propagar fenômenos ondulatórios por todo o espaço, e sua relação com a natureza íntima da matéria, foi uma das questões cruciais, se não a mais crucial, para as ciências físicas durante o século dezenove. As origens do problema podem ser remontadas ao antigo pneuma dos estóicos (um plenum criador de forças e vida), em sua disputa contra a concepção de um mundo constituído apenas por “átomos e vazio”, conforme defendiam os epicuristas e demais atomistas (ver, por exemplo, Sambursky, Abrantes, Martins...). Mas para voltar ao cerne de nosso tema, podemos citar William Thomson, Lord Kelvin, que na década de 1890 não hesitou em afirmar que a questão do éter era a mais fundamental da física de sua época.
O objetivo deste trabalho é focalizar algumas características que tornam o estudo da adoção – e posterior abandono – de certos modelos de éter, uma ferramenta que ajudou a forjar algumas das concepções fundamentais da física clássica de então, e sua eventual transformação revolucionária com o abandono einsteiniano do próprio conceito de éter. O trabalho concentra-se na definição e interpretação de uma família de concepções que podemos tratar como éter(-es) “clássico(s)”, luminíferos e eletromagnéticos, concebidos ao longo do século XIX. Este conjunto exclui, portanto, o plenum material de Descartes, bem como outras tentativas de oferecer explicações para a questão da gravitação newtoniana.
A “moderna” teoria do éter ganhou impulso com o estabelecimento da teoria ondulatória da luz, com Young e Fresnel, nas primeiras décadas do século dezenove. O assim chamado “éter luminífero” seria o suporte de propagação das ondas luminosas, em analogia próxima à já efetuada e bem sucedida redução da acústica à mecânica ondulatória. O éter luminífero, entretanto, logo começou a apresentar problemas teóricos muito graves, a partir da descoberta da polarização da luz e da consequente hipótese, ou descoberta, da existência de ondas transversais – a analogia acústica fazia-se por meio de ondas longitudinais – principalmente após os trabalhos de Malus e Arago e de Brewster. Outras questões associadas ao éter luminífero referiam-se ao problema do “arrasto” do éter pelo movimento da Terra, evidenciado experimentalmente desde os anos 1700 pela aberração estelar. Tais questões levaram ao desenvolvimento de técnicas sofisticadas de medição da velocidade da luz, com o desenvolvimento de interferômetros cada vez mais sensíveis – mais de vinte modelos foram desenvolvidos ao longo do século XIX, dentre os quais destaca-se o de Michelson, mais tarde associado aos famosos experimentos de medição (de resultados nulos) do “vento de éter” e das discussões relacionadas com a teoria da relatividade.
O desenvolvimento das teorias de eletricidade e magnetismo, mais tarde unificadas com a óptica através dos trabalhos de J. C. Maxwell, incentivaram um número crescente de teorias e experimentos ligados a outros variados tipos de éter, em geral chamados de éteres eletromagnéticos. A teoria da elasticidade também desenvolveu-se bastante em função da necessidade de explicar meios tão exóticos, fluidos, sutis, rígidos ou mecânicos ao mesmo tempo. Os principais cientistas da época adiantaram suas próprias hipóteses para diferentes éteres; entre muitos, podemos citar Fresnel, Stokes, Green, W. Thomson, J. J. Thomson, Boussinesq, Lorentz, Fitzgerald, Lodge e muitos outros. É interessante salientar que tratava-se de uma questão tão crucial que vários destes cientistas ensaiaram vários éteres diferentes, inclusive o próprio Maxwell.
Algumas questões universais e centrais para toda a ciência foram atacadas através de teorias de éter. O problema do referencial inercial absoluto do espaço, que remonta a Newton, é o mais famoso deles. As interações entre radiação e matéria, principalmente com o desenvolvimento da espectroscopia por Kirchhoff e Bunsen, a partir da década de 1850, levou o problema também para o cerne da química e da estrutura da matéria. O estabelecimento das séries espectroscópicas, a partir de Balmer, exigia explicações teóricas que a química e a física clássicas não conseguiam resolver. Surgiu então uma espécie de “dualidade” pré-quântica, entre o mundo contínuo do éter e o mundo discreto dos átomos e moléculas da química. Foi diante de tal desafio que W. Thomson (a partir de idéias da teoria acústica de Helmholz, de 1867), seguido depois por J. J. Thomson e J. C. Maxwell, entre outros, desenvolveu a teoria dos átomos formados por vórtices de éter, na tentativa de unificar as duas visões de mundo e explicar os espectros atômicos e moleculares – tarefa levada a efeito mais de meio século mais tarde por Bohr, De Broglie, Schroedinger, Pauli e outros físicos e químicos da era quântica.
The theory was based in the idea that light propagated within a specific medium, whose physical properties were a matter of debate throughout the century. This work focuses on the role played by interferometry in this debate.
Although the first experimental setups were devised mostly to demonstrate the phenomenon of interference, soon the new technique was put to more auspicious endeavours by François Arago (1786-1853), Fresnel and others. Through interferometric setups were discovered the laws of interference of polarized light, which eventually converged to the idea of light being a transverse wave, and new measurements with unprecedented accuracy. With the following generations of undulatorists the technique was developed and experimental verification of properties of the optics of moving bodies and other correlated applications was made possible. Finally by the final quarter of the century there was Albert Michelson's (1852-1931) contribution, introducing an interferometric device capable of detecting the theoretically predicted second-order effect generated by the motion of the Earth through the aether, and its consequences and applications.
Interferometry was then instrumental for the acceptance of an aether, for the discovery of its properties, and even for its dismissal from orthodox Physics.
Fizeau originally proposed his experiment to address one of the most fundamental scientific questions of his time, viz.: if light is a wave in an all-pervading lightbearing medium – the luminiferous aether –, then what happens to the velocity of propagation of light in a moving transparent medium such as glass or water? Fizeau's experiment has since then been celebrated as an achievement of ingenuity and experimental expertise. Nonetheless, his results seemed puzzling to Fizeau himself and did not establish unequivocally any aether model, thus failing as a crucial experiment.
Michelson and Morley's “repetition” of Fizeau's experiment 35 years later was interesting mostly due to some advancement in instrumentation. Stepping on Michelson's own novel interferometric designs the authors managed to readdress the questions involving the optics of moving media. Their conclusions did not differ from Fizeau's, but pushed the accuracy of its results further up and gave insight for their famous experiment of 1887.
Michelson and Morley's 1886 setup was retaken by Zeeman from 1914 on as an experimental basis for his own research program. Now there was basically no advancement on the instrumentation, or at least not in the optical part of it, but there had been major modifications in the theoretical framing of the optics of moving transparent bodies with the establishment of the theory of relativity in the very first decade of the century. In particular Zeeman is interested in testing Lorentz's coefficient, a dispersive (i. e., wavelength-dependent) term introduced as a necessary addition to Fresnel's drag coefficient. He concludes for the correctness of the term, fitting in with the new paradigm.
The same experiment was performed in different contexts and for different reasons, yielding different consequences. Hence subtracting the context from an experiment cannot lead to a full understanding of it, even within an internalist view of science.
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Thesis by Beto Pimentel
Papers by Beto Pimentel
This presentation aims at showing both the origins of the idea of the compensating plate and the uses made of it in the beginning of interferometry, displaying how the success achieved by these pioneering instruments were instrumental not only for the development of the following generations of interferometers, but also for the establishment of the undulatory theory of light itself.
These instruments also epitomize a transition period in the history of instrument making in which artisans and academicians worked closely together in the development of their measuring instruments.
Fizeau percebeu que os modelos de éter até então propostos podiam ser agrupados em três tipos, segundo a relação do éter com a matéria ordinária no interior de corpos transparentes. Nestes modelos ou bem (1) o éter estaria como que fixo às moléculas dos corpos, e partilharia com eles de seu movimento; ou bem (2) o éter é livre e independente, não sendo afetado pelo movimento das moléculas dos corpos; ou, finalmente, (3) uma parte do éter é livre e uma parte como que fixa às moléculas dos corpos. Utilizando métodos interferométricos, Fizeau foi capaz de propor um experimento para determinar a variação do índice de refração, e, por conseguinte, da velocidade da luz, de um meio transparente, inicialmente em repouso e a seguir em movimento em relação ao observador.
Os resultados estão consistentes com o terceiro modelo, corroborando a lei do arrasto parcial elaborada por Fresnel a partir da análise do fenômeno da aberração estelar.
Apesar da maestria experimental de Fizeau e dos resultados inquestionáveis, ele não é capaz de defender inequivocamente o modelo de Fresnel para o éter, talvez em virtude da permanência de uma imagem mecânica de éter cujo funcionamento – “mecanismo” – fosse claro. Tal dificuldade conceitual se verá presente mesmo nos trabalhos de cientistas muito posteriores, até a primeira metade do século XX.
Fizeau propõe originalmente seu experimento como um experimentum crucis, destinado a decidir qual modelo de éter está de acordo com a forma como a luz se propaga em meios materiais transparentes em movimento relativo. O resultado é claramente favorável ao modelo de Fresnel, porém Fizeau admite achá-lo conceitualmente tão estranho que clama por outras evidências e exames antes de defendê-lo como uma representação da realidade dos fenômenos.
À frente do observatório de Utrecht, em 1861 o astrônomo holandês Martinus Hoek produziu uma obra de revisão da teoria e instrumentação em torno do efeito de aberração estelar à luz do modelo de Fresnel do éter. Sete anos mais tarde, baseando-se no experimento de Fizeau de 18512 da medição do coeficiente de arrasto de Fresnel (1-1/n^2), Hoek realizou um novo experimento no qual, ao orientar o interferômetro na direção leste-oeste, pôde introduzir a velocidade de rotação da Terra no cálculo do coeficiente de arrasto. Em sua montagem uma parte do feixe de luz atravessava uma coluna de água no mesmo sentido do movimento da Terra em relação ao éter, era refletido por um espelho e retornava sem atravessar a água, enquanto uma outra parte do feixe fazia o percurso inverso, e portanto atravessando a coluna de água no sentido inverso ao do movimento da Terra.
Hoek reportou não ter encontrado qualquer formação de franjas de interferência ao analisar a superposição dos feixes retornados, e mostrou que o resultado negativo estava de acordo com o modelo do arrasto parcial dentro de uma margem ainda mais exata que no trabalho de Fizeau.
É tentador dizer que o trabalho de Hoek situa-se, epistemologicamente, a meio caminho entre os experimentos de Fizeau e de Michelson e Morley, embora não conste que tenha sido uma influência explícita deste último.
O resultado nulo obtido por Michelson em Potsdam em 1881 o levou a defender a idéia de que o éter deveria ser arrastado pela Terra em seu movimento, daí a impossibilidade de se detectar o “vento de éter” numa experiência feita na superfície da Terra. Instado por Thomson e Rayleigh, Michelson repetiu o experimento em 1887, com o auxílio de seu colega Edward Morley. O objetivo era testar as hipóteses de Fresnel de um éter estacionário e parcialmente arrastado pela matéria em movimento – esta segunda parte testada em 1886 através da repetição do experimento de Fizeau do arrasto do éter pela água em movimento. Michelson e Morley utilizaram um interferômetro muito aperfeiçoado em relação ao experimento original de Potsdam, mas mesmo assim os resultados obtidos ficaram dentro da margem de erro de leitura do aparelho, isto é, praticamente nulos. No entanto, as medições subseqüentes em diferentes épocas do ano nunca chegaram a ser feitas. Estas e outras considerações levariam a novas repetições do experimento por Morley e Dayton Miller (1902-04), Dayton Miller (1921, 1923-24, 1924, 1925-26), Tomaschek (1924), Kennedy (1926), Illingworth (1927), Piccard e Stahel (1927), Michelson et. al. (1929) e Joos (1930), a despeito do desenvolvimento e progressiva aceitação da Teoria da Relatividade pela comunidade científica.
A persistência da busca por evidências experimentais de um “vento de éter” mesmo mais de um quarto de século depois do advento da Relatividade Restrita, através de experimentos caros e de longa duração, evidencia o quanto a edificação de um novo paradigma é um processo tortuoso e, muitas vezes, demorado. Se é discutível que os resultados obtidos por Michelson e Morley em 1887 tiveram um papel na gênese da Relatividade, parece evidente pelo número de repetições que o experimento teve que seu papel na aceitação da Relatividade não pode ser desprezado.
A análise destas montagens revela que as técnicas interferométricas cumpriram diferentes papéis ao longo do processo. Assim, enquanto diversas das montagens iniciais, como o experimento da fenda dupla de Young, o espelho de Lloyd, as meias-lentes de Billet, o espelho duplo e o biprisma de Fresnel, tiveram como objetivo justificar a hipótese ondulatória e demonstrar inequivocamente as características ondulatórias da luz no contexto do debate sobre sua natureza, outras montagens, como os experimentos de Augustin Fresnel (1788-1827) e François Arago (1786-1853) que levaram à determinação das leis que regem a interferência de luz polarizada, participaram de um contexto de descoberta e remodelagem.
A seguir surgiram diversas montagens com o objetivo de utilizar o efeito da variação de uma grandeza específica do sistema sobre as características das franjas de interferência projetadas, de modo a ser capaz de medir propriedades do sistema com exatidão inédita. Assim surgiam os primeiros interferômetros propriamente ditos ("refratômetros", no linguajar da época), como o duplo tubo de Arago, com que o índice de refração do ar úmido pôde ser comparado ao do ar seco para efeito de correção de medições telescópicas devida à umidade atmosférica, e o interferômetro de Jamin, criado por Jules Jamin (1818-1886), com o qual efeitos de pressão e temperatura sobre a propagação da luz em meios fluidos puderam ser estudados. Até o final do século o interferômetro de Jamin inspiraria o desenvolvimento do interferômetro de Mach-Zehnder, ainda hoje uma ferramenta importante para pesquisas nas mais variadas áreas.
Em particular a interferometria teve grande crescimento com os trabalhos de Hippolyte Fizeau (1819-1896) e Albert A. Michelson (1852-1931), que vislumbraram aplicações da interferometria a diversos campos, como por exemplo: ao estudo de linhas espectrais, lançando os fundamentos da moderna espectroscopia; à medição de dimensões angulares extremamente diminutas, permitindo as primeiras medições de diâmetros estelares; à metrologia dimensional, levando em última instância à redefinição do metro; e finalmente aos problemas envolvendo a chamada "óptica dos corpos em movimento", em que o experimento do arrasto do éter comunicado por Fizeau em 1851 e os experimentos de Michelson (1881) e de Michelson-Morley (1887) constituíram base empírica fundamental para o estudo do éter luminífero e de sua interação com a matéria ordinária, e para o desenvolvimento das idéias sobre a relatividade dos movimentos.
Os interferômetros se impuseram como um dos ítens mais versáteis e fundamentais do arsenal de ferramentas da ciência, e hoje estão presentes em praticamente todas as áreas de pesquisa nas ciências naturais, com um grau de sofisticação cada vez maior.
A questão da existência de um meio sutil capaz de suportar e propagar fenômenos ondulatórios por todo o espaço, e sua relação com a natureza íntima da matéria, foi uma das questões cruciais, se não a mais crucial, para as ciências físicas durante o século dezenove. As origens do problema podem ser remontadas ao antigo pneuma dos estóicos (um plenum criador de forças e vida), em sua disputa contra a concepção de um mundo constituído apenas por “átomos e vazio”, conforme defendiam os epicuristas e demais atomistas (ver, por exemplo, Sambursky, Abrantes, Martins...). Mas para voltar ao cerne de nosso tema, podemos citar William Thomson, Lord Kelvin, que na década de 1890 não hesitou em afirmar que a questão do éter era a mais fundamental da física de sua época.
O objetivo deste trabalho é focalizar algumas características que tornam o estudo da adoção – e posterior abandono – de certos modelos de éter, uma ferramenta que ajudou a forjar algumas das concepções fundamentais da física clássica de então, e sua eventual transformação revolucionária com o abandono einsteiniano do próprio conceito de éter. O trabalho concentra-se na definição e interpretação de uma família de concepções que podemos tratar como éter(-es) “clássico(s)”, luminíferos e eletromagnéticos, concebidos ao longo do século XIX. Este conjunto exclui, portanto, o plenum material de Descartes, bem como outras tentativas de oferecer explicações para a questão da gravitação newtoniana.
A “moderna” teoria do éter ganhou impulso com o estabelecimento da teoria ondulatória da luz, com Young e Fresnel, nas primeiras décadas do século dezenove. O assim chamado “éter luminífero” seria o suporte de propagação das ondas luminosas, em analogia próxima à já efetuada e bem sucedida redução da acústica à mecânica ondulatória. O éter luminífero, entretanto, logo começou a apresentar problemas teóricos muito graves, a partir da descoberta da polarização da luz e da consequente hipótese, ou descoberta, da existência de ondas transversais – a analogia acústica fazia-se por meio de ondas longitudinais – principalmente após os trabalhos de Malus e Arago e de Brewster. Outras questões associadas ao éter luminífero referiam-se ao problema do “arrasto” do éter pelo movimento da Terra, evidenciado experimentalmente desde os anos 1700 pela aberração estelar. Tais questões levaram ao desenvolvimento de técnicas sofisticadas de medição da velocidade da luz, com o desenvolvimento de interferômetros cada vez mais sensíveis – mais de vinte modelos foram desenvolvidos ao longo do século XIX, dentre os quais destaca-se o de Michelson, mais tarde associado aos famosos experimentos de medição (de resultados nulos) do “vento de éter” e das discussões relacionadas com a teoria da relatividade.
O desenvolvimento das teorias de eletricidade e magnetismo, mais tarde unificadas com a óptica através dos trabalhos de J. C. Maxwell, incentivaram um número crescente de teorias e experimentos ligados a outros variados tipos de éter, em geral chamados de éteres eletromagnéticos. A teoria da elasticidade também desenvolveu-se bastante em função da necessidade de explicar meios tão exóticos, fluidos, sutis, rígidos ou mecânicos ao mesmo tempo. Os principais cientistas da época adiantaram suas próprias hipóteses para diferentes éteres; entre muitos, podemos citar Fresnel, Stokes, Green, W. Thomson, J. J. Thomson, Boussinesq, Lorentz, Fitzgerald, Lodge e muitos outros. É interessante salientar que tratava-se de uma questão tão crucial que vários destes cientistas ensaiaram vários éteres diferentes, inclusive o próprio Maxwell.
Algumas questões universais e centrais para toda a ciência foram atacadas através de teorias de éter. O problema do referencial inercial absoluto do espaço, que remonta a Newton, é o mais famoso deles. As interações entre radiação e matéria, principalmente com o desenvolvimento da espectroscopia por Kirchhoff e Bunsen, a partir da década de 1850, levou o problema também para o cerne da química e da estrutura da matéria. O estabelecimento das séries espectroscópicas, a partir de Balmer, exigia explicações teóricas que a química e a física clássicas não conseguiam resolver. Surgiu então uma espécie de “dualidade” pré-quântica, entre o mundo contínuo do éter e o mundo discreto dos átomos e moléculas da química. Foi diante de tal desafio que W. Thomson (a partir de idéias da teoria acústica de Helmholz, de 1867), seguido depois por J. J. Thomson e J. C. Maxwell, entre outros, desenvolveu a teoria dos átomos formados por vórtices de éter, na tentativa de unificar as duas visões de mundo e explicar os espectros atômicos e moleculares – tarefa levada a efeito mais de meio século mais tarde por Bohr, De Broglie, Schroedinger, Pauli e outros físicos e químicos da era quântica.
The theory was based in the idea that light propagated within a specific medium, whose physical properties were a matter of debate throughout the century. This work focuses on the role played by interferometry in this debate.
Although the first experimental setups were devised mostly to demonstrate the phenomenon of interference, soon the new technique was put to more auspicious endeavours by François Arago (1786-1853), Fresnel and others. Through interferometric setups were discovered the laws of interference of polarized light, which eventually converged to the idea of light being a transverse wave, and new measurements with unprecedented accuracy. With the following generations of undulatorists the technique was developed and experimental verification of properties of the optics of moving bodies and other correlated applications was made possible. Finally by the final quarter of the century there was Albert Michelson's (1852-1931) contribution, introducing an interferometric device capable of detecting the theoretically predicted second-order effect generated by the motion of the Earth through the aether, and its consequences and applications.
Interferometry was then instrumental for the acceptance of an aether, for the discovery of its properties, and even for its dismissal from orthodox Physics.
Fizeau originally proposed his experiment to address one of the most fundamental scientific questions of his time, viz.: if light is a wave in an all-pervading lightbearing medium – the luminiferous aether –, then what happens to the velocity of propagation of light in a moving transparent medium such as glass or water? Fizeau's experiment has since then been celebrated as an achievement of ingenuity and experimental expertise. Nonetheless, his results seemed puzzling to Fizeau himself and did not establish unequivocally any aether model, thus failing as a crucial experiment.
Michelson and Morley's “repetition” of Fizeau's experiment 35 years later was interesting mostly due to some advancement in instrumentation. Stepping on Michelson's own novel interferometric designs the authors managed to readdress the questions involving the optics of moving media. Their conclusions did not differ from Fizeau's, but pushed the accuracy of its results further up and gave insight for their famous experiment of 1887.
Michelson and Morley's 1886 setup was retaken by Zeeman from 1914 on as an experimental basis for his own research program. Now there was basically no advancement on the instrumentation, or at least not in the optical part of it, but there had been major modifications in the theoretical framing of the optics of moving transparent bodies with the establishment of the theory of relativity in the very first decade of the century. In particular Zeeman is interested in testing Lorentz's coefficient, a dispersive (i. e., wavelength-dependent) term introduced as a necessary addition to Fresnel's drag coefficient. He concludes for the correctness of the term, fitting in with the new paradigm.
The same experiment was performed in different contexts and for different reasons, yielding different consequences. Hence subtracting the context from an experiment cannot lead to a full understanding of it, even within an internalist view of science.
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