Desvendando o Arco-íris

Desvendando o arco-íris ("Ciência, Ilusão e encantamento") é um livro de Richard Dawkins, publicado em 1998 que discute a relação entre a ciência e a arte pela perspectiva de um cientista.

Dawkins escreve para combater a percepção das pessoas comuns de que a ciência é entediante, não conseguindo entender porque os cientistas a acham não apenas importante mas também excitante, interessante e bonita. Dirigido pelas respostas ao seu livro O Relojoeiro Cego onde leitores perceberam a sua descrição do mundo como mecânica e sem emoção, Dawkins sentiu a necessidade de explicar que para ele como um cientista o mundo é cheio de maravilhas e uma fonte de prazer; este prazer não era por contrariar, mas pelo fato que ele não assume a causa de ações inexplicáveis ser devida a um ser divino e sim pelo conhecimento das leis da natureza.
Seu ponto de partida é a bem conhecida acusação de John Keats de que Isaac Newton destruiu a beleza do arco-íris explicando-o. O objetivo do livro é mostrar para o leitor que a ciência não destrói, apenas descobre poesia nos padrões e leis da natureza.
Não é de surpreender que Dawkins é um patrocinador do movimento Brights e este livro pode ser visto como uma defesa dos pontos principais desta filosofia.

RENÉ DESCARTES E A DESCRIÇÃO DO ARCO-ÍRIS

A primeira pessoa a estudar sistematicamente o arco-íris parece que foi o grande filósofo francês René Descartes, o mesmo que criou o sistema de coordenadas cartesianas. Em 1637, cinco anos antes do nascimento de Newton, ele publicou um relato de seus experimentos sobre o arco-íris em seu famoso livro "Discurso sobre o Método". Esse relato é interessante por mostrar como o chamado "método científico" já era muito bem utilizado nesse tempo. Descartes sabia isolar o problema, reproduzí-lo de forma simplificada e separar o que é essencial para a descrição do fenômeno. Esse processo está bem claro em sua descrição do arco-íris.

Logo de início, Descartes observou que um arco-íris pode ser produzido até por jatos de água em um jardim. Logo, argumentou, o arco-íris se deve à forma como a luz do Sol é desviada por gotas de água. E, como é claro que gotas de vários tamanhos produzem o mesmo efeito, ele teve a idéia de reproduzir o processo usando um globo de vidro cheio de água, iluminado pelos raios de luz do Sol. Desse modo, ele conseguiu facilmente determinar o ângulo do arco-íris em relação ao olho do observador [Ver O ÂNGULO DO ARCO-ÍRIS. Logo de início, Descartes observou que um arco-íris pode ser produzido até por jatos de água em um jardim. Logo, argumentou, o arco-íris se deve à forma como a luz do Sol é desviada por gotas de água. E, como é claro que gotas de vários tamanhos produzem o mesmo efeito, ele teve a idéia de reproduzir o processo usando um globo de vidro cheio de água, iluminado pelos raios de luz do Sol. Desse modo, ele conseguiu facilmente determinar o ângulo do arco-íris em relação ao olho do observador [Ver O ÂNGULO DO ARCO-ÍRIS. A separação das cores na refração da luz ao entrar e sair da gota já foi descrita em outro local [Ver AS CORES DA LUZ]. Pode-se observar que praticamente todos os raios de luz que chegam ao olho do observador depois de desviados pelas gotas de água da nuvem formam ângulos menores que 42o. Isso explica porque o céu é mais claro e esbranquiçado abaixo do arco-íris e mais escuro acima dele. Na verdade, podemos dizer que o "arco-íris" não é um arco, é um disco meio luminoso com a borda colorida. Como vemos, várias das características do arco-íris podem ser explicadas por um modelo baseado apenas em raios de luz, portanto, coerente com o modelo corpuscular de Newton. No entanto, um pequeno detalhe não conseguia explicação com esse modelo: os arcos supernumerários. Como veremos a seguir, esse detalhe fez desmoronar o modelo de Newton e deu razão a Huyghens e seu modelo ondulatório da luz.



Isaac Newton e sua teoria da luz referente ao Arco-Íris

Isaac Newton demonstrou experimentalmente que a luz branca do Sol é constituída de uma mistura de cores que podem ser separadas por um prisma de vidro. Os experimentos de Newton estão relatados em outro local dessas páginas (as cores da luz )Newton achava que a luz é formada de partículas, ou "corpúsculos". Cada cor teria um tipo próprio de corpúsculo. No ar, todos os corpúsculos viajariam com a mesma velocidade e a luz branca seria uma combinação dos efeitos de todos eles. Ao passar pelo prisma, porém, cada tipo de corpúsculo teria uma velocidade diferente. Os corpúsculos da luz vermelha teriam maior velocidade e seriam menos desviados que os corpúsculos da luz violeta, mais lentos.

Isaac Newton decompondo a luz branca com um prisma

Nem todo mundo concordava com o modelo corpuscular adotado por Newton. O holandês Christian Huygens (pronuncía-se "róiguens") defendia ardorosamente um modelo ondulatório da luz. Segundo ele, a luz seria formada por ondas, cada cor correspondendo a um comprimento de onda próprio, com velocidade diferente dentro do prisma.

Christian Huygens

A dispersão da luz por um prisma não permite decidir qual dos dois modelos, corpuscular ou ondulatório, é o mais adequado para descrever a natureza da luz. Ambos produzem explicações satisfatórias. Na época, prevaleceu o enorme prestígio de Newton, lastreado em seu assombroso sucesso com a Mecânica e a Gravitação. Praticamente toda a comunidade científica e intelectual desse tempo preferiu seguir o grande mestre inglês, adotando o modelo corpuscular. No caso do arco-íris, um modelo geométrico descrito pelo filósofo francês René Descartes já tinha grande aceitação.

O Arco - Íris

Um arco-íris (também chamado arco-celeste, arco-da-aliança, arco-da-chuva, arco-da-velha) é um fenômeno óptico e meteorológico que separa a luz do sol em seu espectro (aproximadamente) contínuo quando o sol brilha sobre gotas de chuva. É um arco multicolorido com o vermelho no seu exterior e o violeta em seu interior; a ordem completa é vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil (ou índigo) e violeta. No entanto, a grande maioria das pessoas consegue discernir apenas seis cores, e o próprio Newton viu apenas cinco cores, e adicionou mais duas apenas para fazer analogia com as sete notas musicais.^[1][2][3][4] Ver também o artigo sobre as cores para informações sobre o espectro de cores do arco-íris.
Para ajudar a lembrar a sequência de cores do arco-íris, usa-se a mnemónica: «Vermelho lá vai violeta», em que l, a,v, a,i representam a sequência laranja, amarelo, verde, azul, índigo. Na língua inglesa é usada a mnemónica roygbiv.
O efeito do arco-íris pode ser observado sempre que existir gotas de água no ar e a luz do sol estiver brilhando acima do observador em uma baixa altitude ou ângulo. O mais espetacular arco-íris aparece quando metade do céu ainda está escuro com nuvens de chuva e o observador está em um local com céu claro. Outro local propício à apreciação do arco-íris é perto de cachoeiras.

Simbologia
Seu nome provém da mitologia grega, onde Íris era uma deusa que exercia a função de arauto divino. Em sua tarefa de mensageira, a deusa deixava um rastro multicolorido ao atravessar os céus.^[5]
Cristianismo, islamismo e judaísmo dizem que o arco-íris foi intitulado por Deus "arco-da-aliança", pois logo após o Dilúvio quando a Arca de Noé pousou sobre o Monte Ararat Deus prometeu que nunca mais iria inundar a Terra e depois de cada chuva seu arco apareceria nas nuvens e este seria o símbolo da aliança estabelecida entre Deus e toda carne vivente de toda espécie que está sobre a terra e por todas as gerações futuras.
Na cultura yorubá, o arco-íris também é representado como mensageiro divino aos seres humanos na figura do orixá Oxumarê (Osûmàrè).

Física dos arco-íris
A aparência do arco-íris é causada pela dispersão da luz do sol que sofre refração pelas (aproximadamente esféricas) gotas de chuva.^[6]
A luz sofre uma refração inicial quando penetra na superfície da gota de chuva, dentro da gota ela é refletida (reflexão interna total), e finalmente volta a sofrer refração ao sair da gota. O efeito final é que a luz que entra é refletida em uma grande variedade de ângulos, com a luz mais intensa a um ângulo de cerca de 40°–42°, independente do tamanho da gota. Desde que a água das gotas de chuva é dispersiva, a grau que a luz solar retorna depende do comprimento de onda e da frequência, principalmente. A luz azul retorna em um ângulo maior que a luz vermelha, mas devido a reflexão interna total da luz na gota de chuva, a luz vermelha aparece mais alta no céu, e forma a cor mais externa do arco-íris.
O arco-íris não existe realmente como em um local do céu, mas é uma ilusão de óptica cuja posição aparente depende da posição do observador. Todas as gotas de chuva refratam e refletem a luz do sol da mesma forma, mas somente a luz de algumas delas chega até o olho do observador. Estas gotas são percebidas como o arco-íris para aquele observador. Sua posição é sempre na direção oposta do sol com relação ao observador, e o interior é uma imagem aumentada do sol, que aparece ligeiramente menos brilhante que o exterior. O arco é centralizado com a sombra do observador, aparecendo em um ângulo de aproximadamente 40°–42° com a linha entre a cabeça do observador e sua sombra (Isto significa que se o sol está mais alto que 42° o arco-íris está abaixo do horizonte e o arco-íris não pode ser visto a menos que o observador esteja no topo de uma montanha ou em outro lugar de altura similar). Similarmente é difícil de fotografar o arco completo, o que requer um ângulo de visão de 84°. Para uma câmera de 35 mm, uma lente com foco de 19 mm ou menos é necessária, entretanto a maioria dos fotógrafos têm lentes de 28 mm.
Podemos ver arco-íris de diferentes tamanhos porque, para estimar a sua largura, o nosso cérebro só tem como informação a dimensão do ângulo de visão que lhe corresponde. Se perto da imagem dele existirem objectos longínquos, como montanhas, o arco-íris parecerá maior. Se o arco-íris estiver perto de objectos menos distantes, parecerá menor. É fundamentalmente a mesma ilusão que faz com que a Lua, o Sol ou as constelações pareçam maiores quando estão perto do horizonte.
Algumas vezes, um segundo arco-íris mais fraco é visto fora do arco-íris principal, ele é devido a uma dupla reflexão da luz do sol nas gotas de chuva, e aparece em um ângulo de 50°–53°. Devido à reflexão extra, as cores do arco são invertidas quando comparadas com o arco-íris principal, com o azul no lado externo e o vermelho no interno. De um aeroplano é possível ter a oportunidade de ver o círculo completo do arco-íris, com a sombra do avião ao centro.

Um triplo arco-íris é ainda mais raro de se ver. Uns poucos observadores já relataram a visão de quatro arcos, quando o arco mais externo tem uma aparência pulsante e vibrante.

A primeira explicação teórica precisa do arco-íris foi feita por Descartes em 1637. Sabendo que o tamanho das gotas de chuva não pareciam afetar o arco-íris observado, ele fez uma experiência incidindo raios de luz através de uma grande esfera de vidro cheia de água. Ao medir os ângulos que os raios emergiam, ele concluiu que o primeiro arco era causado por uma única reflexão interna dentro da gota de chuva e que o segundo arco podia ser causado por duas reflexões internas. Ele foi capaz de chegar aos seus resultados a partir da lei de refração (em consequência, mas independentemente da Snell) e calculou corretamente os ângulos de ambos os arcos. Entretanto, ele não foi capaz de explicar as cores.
Isaac Newton foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta da luz de todas as cores do arco-íris; com um prisma de vidro, pôde decompor a luz branca no espectro completo de cores e, com outro, pôde recombinar o feixe de luz em luz branca. Também demonstrou que a luz vermelha é refratada menos que a azul o que levou a uma completa explicação do efeito óptico do arco-íris.