Passeando com a Luz: As aventuras luminosas de Bob Miller

Há 45 anos atrás, no verão de 1975, Robert Larue (Bob) Miller (1935-2007) começou a levar os visitantes, amigos e mediadores para o exterior do Exploratorium para que investigassem e descobrissem vários efeitos e fenômenos sobre a formação de imagens e sobre a luz solar.

Na época, ele estava construindo o experimento interativo “Holes In A Wall” (Furos numa Parede) e estava fascinado, investigando o modo como as imagens simples do Sol que brilham através de “pinholes” (furos pequenos, como furos de alfinetes) podiam se combinar de tantas maneiras inesperadas.

Não demorou muito para que Bob se convencesse de que toda a luz se expressa na forma de imagens. Ele decidiu mostrar isso com uma série de esculturas expositivas – instalações artísticas-científicas que incluíram os clássicos experimentos: Mosaico de Imagens, Reflexos em Bolas de Árvore de Natal, Sombras Muito Sofisticadas e muitos outros.

Bob talvez tenha criado os experimentos científicos-artísticos mais interessantes sobre luz em sua época que inspiraram dezenas de cientistas, artistas e museus nas décadas seguintes. Paulo Henrique Colonese, Espaço Ciência Viva.

Ao longo dos anos, o Image Walk (Passeando com a Luz) se tornaria uma marca institucional (como muitos de seus experimentos interativos) do Exploratorium. A sua Oficina Investigativa foi sendo alimentada continuamente pelos comentários e questões de visitantes, estagiários, mediadores e educadores do Exploratorium. Um Passeio com a Luz pode durar uma hora, um dia ou até vários dias, de acordo com sua paixão pelos fenômenos luminosos. O passeio sempre começa fora do museu, com uma única imagem do Sol, e termina dentro do museu com muitos experimentos interativos sobre luz, imagens e sombras. O passeio pode nos levar a muitos lugares, muitas ideias e muitos conceitos. Bob Miller criou muitas dos experimentos mais interativos e mais apaixonantes sobre luz e cor, incluindo o Pintando com a Luz Solar (fenômeno que também inspirou alguns dos trabalhos de Picasso com a luz).

Pintando com a Luz, Pablo Picasso.

Uma das coisas que mais me apaixonou na oficina de Bob foi descobrir que uma árvore é uma centena de câmeras de “pinhole”, formando centenas de imagens do Sol em suas sombras e, também, que a sombra é da luz e não do objeto. Até hoje me espanto ao ver seu experimento Sombras Sofisticadas e descobrir que a sombra de uma esfera pode ser uma cruz. Ou seja, a sombra é da luz e não do objeto. Paulo Henrique Colonese, Espaço Ciência Viva.

E o passeio começa exatamente aqui, sob uma árvore frondosa em um dia ensolarado, com um fenômeno comumente observado: a luz que passa através dos furos e fendas entre as folhagens e ramos nas árvores e que incide sobre o chão ou um pedaço de papelão branco que preparamos. A surpresa é descobrir que se formam muitas “manchas” redondas. Mas, sabemos que os espaços entre as folhagens e ramos não são redondos – ao contrário são todos bastante irregulares. E o que seriam, então, as manchas redondas de luz?

São centenas de imagens do Sol que podem estar isoladas ou sobrepostas (o que dificulta percebê-las como imagens do Sol).

Uma coisa que me ocorreu quando olhei para isso foi que também deveria haver uma imagem do céu ao redor do Sol. Pois a luz do céu também passa pelas fendas e furos. Mas normalmente não estamos cientes disso, pois a luz azul do céu é muito fraca em comparação com a luz do sol. O Sol é realmente brilhante – cerca de um milhão de vezes mais brilhante que a Lua. E a Lua é ainda mais brilhante que o céu azul claro.

Agora acontece que, às vezes, por acaso, se o Sol estiver parcialmente coberto ou cercado por nuvens ou neblina, então em torno de cada uma dessas imagens de Sol, você realmente consegue ver as nuvens passando.

A razão pela qual o Sol aparece tão bem é que o Sol é muito brilhante, visto de nosso planeta. Mas, na verdade, cada furo formado no teto da árvore também produz uma imagem completa de tudo que está do outro lado, incluindo o céu, as casas, as pessoas. Isso me levou a criar mais um experimento: a incrível instalação científica “Furos na Parede”.

Outra maneira de pensar sobre isso é: quando você dirige seu olho para algum lugar, você pode ver tudo ao seu redor: casas, árvores, carros, pessoas. Por quê? Por causa da luz que está penetrando bem aqui em seu olho (a luz atravessa a córnea transparente e depois o furo que chamamos de pupila ou, como os poetas, a menina dos olhos). Agora, se eu movimentar minha cabeça ou meus olhos, ainda haverá – e sempre haverá – luz passando por essa pequena área no espaço, bem ali. “E a luz deve conter todas as informações da cena – os detalhes completos, a cor e tudo mais – porque senão eu não seria capaz de ver a cena ao dirigir meu olhar para ela. Então isso significa que aqui, aqui, e aqui – cada pequena área no espaço, cada furo na parede – a luz que os atravessa contém toda a informação sobre a cena completa de onde a luz está vindo, independente dela estar sendo refletida ou emitida de uma lâmpada ou qualquer outra coisa, ou até mesmo de trás de você. Se eu der meia volta, virar 180º, posso ver toda a cena que está ali, também. E tudo isto está contido na luz. E o mais incrível na luz que não vemos, na luz que permanece invisível aos nossos sentidos. Você não pode vê-la ao atravessar esta pequena área – furo – no espaço. Toda essa informação está codificada na luz, na sua frequência – as diferentes cores – no seu brilho e na direção em que a luz está viajando. E ela se move muito rápido – a quase 300.000 km/seg.

Uma vez que você comece a perceber essas imagens, elas estarão por todos os lugares. Você pode até fazer um furo com suas mãos, e descobrir que ele também produz uma imagem do Sol. Tivemos um eclipse parcial do Sol aqui alguns anos atrás, e em vez de imagens de Sol totalmente redondas, cada uma delas tinha uma forma de “Sol crescente”.

Muitos artistas, cientistas e educadores usam essa técnica para ver eclipses por ser altamente segura, já que não olhamos diretamente para o Sol.

Ok, então agora temos um monte de furos. Em vez de usar os furos entre as folhas, podemos usar furos em uma placa de eucatex, por exemplo (existem placas já perfuradas e não perfuradas). Ou podemos usar algum papel grosso para investigar diferentes tipos de furos. Eu cortei uma série de furos com formas bem diferentes: aqui temos um pequeno furo quadrado, um triangular e um muito irregular.

Se eu segurar essa placa ou folha bem alto e perpendicular aos raios de Sol – não importa a forma do furo – eu ainda tenho uma imagem redonda do Sol, porque o Sol é redondo. E assim a imagem vai ser redonda, também.

A abordagem de Mudança Conceitual na aprendizagem de física nos alerta que essa é uma descoberta fundamental pois a maioria das pessoas correlaciona a imagem gerada com a forma do furo, como se fosse uma incidência direta do feixe luminoso. Observar isto é extremamente importante para a construção de uma nova rede de relações conceituais sobre a formação de imagens. Paulo Henrique Colonese, Espaço Ciência Viva.

E se for um pequeno furo ou um furo maior, todas as imagens terão o mesmo tamanho?

E à medida que você se move para trás, se afasta, todas elas ficam maiores?

A imagem fica maior quanto mais para trás você se move porque a luz diverge mais [Você precisar investigar isso para entender!].

Mas a imagem também fica mais escura, porque não importa onde você coloque a placa, você ainda tem a mesma quantidade de luz passando através do furo. Mas como ela se espalhou mais, uma quantidade menor vai atingir a placa e formar a imagem.

Isso foi muito interessante para mim, porque eu sempre pensei que um furo fosse apenas isso, um simples furo e mais nada. E que você só poderia ter uma imagem com um pequeno furo. Acontece que você pode ter qualquer abertura de tamanho, e qualquer forma, contanto que você se afaste o suficiente da tela ou parede onde a imagem vai ser formada, e o furo ainda vai gerar uma imagem nítida tão boa do Sol quanto a formada com um pequeno “pinhole”. [Talvez apenas um pouco menos intensa, dependendo da distância do furo à tela e da luminosidade local].

Uma maneira de ver isso é usar apenas furos quadrados. Você pode pegar apenas um pequeno canto do furo quadrado [tampando uma parte] e fazer uma pequena imagem com a luz que atravessa esse cantinho. Agora, a cerca de 0,6 cm de distância, há outra pequena imagem que foi formada pela luz de outro canto. Então agora há uma imagem aqui e uma imagem lá, a cerca de 0,6 cm de distância. Mas agora, à medida que recuo, ambas as imagens ficam cada vez maiores.

Mas seus centros não estão mais distantes do que isso – cerca de 0,6 cm, então, quando as imagens ficam muito grandes, os centros ainda estão efetivamente no mesmo lugar. Então você tem uma única grande imagem do Sol, com uma borda difusa de 0,6 cm. O limite da resolução é o tamanho da abertura.

Se eu cruzar os dedos das minhas mãos, posso fazer um monte de imagens de Sol com a luz que atravessa os furos entre meus dedos. Agora, se eu tirar minhas mãos, a luz que estava vindo através dos buracos nos meus dedos ainda está passando por lá. E ela ainda deve estar chegando lá (tela) da mesma forma de quando eu coloco minhas mãos lá. Assim, você pode perceber que as imagens ainda estão “realmente” lá. Mas você também pode dizer em certo sentido que elas estão sempre potencialmente lá, que a informação está sempre lá.

Agora aqui temos uma placa de eucatex perfurada, cheia de furos. Se a colocarmos bem perpendicular ao Sol, ela [cada furo] produzirá um monte de imagens solares. E quando começo a recuar, me afastando da tela, elas ficam cada vez maiores.

Se eu perfurasse ainda outro furo na placa, acrescentaria outra imagem ao conjunto. Se eu pudesse continuar fazendo furos, toda vez que eu perfurasse um novo furo, eu deixava uma nova imagem se formar. Na verdade, eu poderia fazer tantos furos que perfuraria quase toda a placa, e então eu teria isso.

Isso é o que eu costumava pensar sobre a “desinteressante” luz branca difusa. Mas há uma enorme quantidade de informação na luz que incide naquela tela.

Uma das boas surpresas e descobertas (subprodutos) dessa investigação é que, quando eu recuo (me afasto da tela), as imagens se sobrepõem e você começa a ter alguns belos padrões geométricos. Algumas das imagens são mais fracas que outras. Isso significa que o furo é menor por alguma razão. Às vezes você vai ver uma realmente brilhante, e isso significa que o furo é maior.

Usar isso para criar efeitos geniais é fantástico!

Agora, incluímos um par de fendas na placa. Mais uma vez, à medida que eu recuo, as faixas de luz ficam cada vez maiores. Mas a qualquer momento, se eu bloquear a fenda com meus dedos, você pode ver que a faixa é, na verdade, uma linha de imagens do Sol todas alinhados. E em qualquer lugar nessa fenda, você pode ver uma imagem redonda do Sol.

Aqui está uma placa com furos quadrados. Nós podemos descobrir que se eu afasta-la para trás longe o suficiente, teremos a formação de imagens redondas do Sol.

Agora, temos uma placa com pequenos espelhos quadrados no lugar dos furos quadrados.

O que levou a isso foi algumas coisas que observei. Comprei um espelho de vidro para a instalação do seguidor do Sol no teto do Exploratorium e estava preocupado dele não ser plano o suficiente. Então, eu levei-o para fora do prédio e refleti a luz do Sol para dentro e através do museu para uma parede bem distante. O resultado foi totalmente inesperado. Nunca pensei que veria o que surgiu frente aos meus olhos. Acho que esperava simplesmente ver um belo ponto retangular de luz solar ali.

Bem, não foi isto que eu vi. Havia uma mancha de luz bastante arredondada. E, por acaso, a neblina da cidade, San Francisco, estava chegando naquele dia. E, de vez em quando, a neblina passava bem perto do Sol permitindo que toda a parede fosse preenchida com uma imagem do céu. Você podia ver o ponto de luz ligeiramente fora de forma que era uma imagem do Sol, e então, era possível ver a neblina passando pelo Sol. Isso realmente me deixou animado por duas razões:

  • Primeiro, porque um espelho funcionaria realmente como um “furo” refletor. Um espelho que reflete a luz que atravessaria o furo. Então, se em vez de colocar furos quadrados na placa, eu colocasse espelhos quadrados, eu obteria um reflexo das imagens formadas pela luz que atravessaria esses furos.
  • Segundo, também percebi que o tamanho da abertura era quase ilimitado. Aqui estava um espelho de 76 cm por 116 cm. Isto, certamente não é um furo de alfinete, mas ali numa parede há 40 m de distância, dentro do museu, a resolução tornou-se tão boa que você poderia realmente reconhecer o Sol, as nuvens e a neblina passando por ele.

Agora, eu vou mudar aqui para esta sombra confusa, e vou fazer uma imagem do Sol com a minha mão novamente. Aqui você pode ver uma imagem do Sol com uma imagem da árvore em frente a ela. Você pode ver a silhueta dos galhos na frente do Sol da mesma forma que você pode ver a silhueta da Lua na frente do Sol em um eclipse parcial. E, claro, a imagem está de cabeça para baixo e, também, refletida na esquerda-direita. Ou seja, a imagem está totalmente invertida.

Agora, temos um galho seco na frente da imagem do Sol, balançando ao vento. Aqui está uma série deles através da placa perfurada. Você pode ver que através de cada furo, forma-se uma imagem diferente. Cada furo é um ponto de vista ligeiramente diferente dos furos vizinhos. De imagem para imagem, as mudanças são muito pequenas, mas do lado direito da placa para o lado esquerdo da placa, as imagens são muito diferentes. Na verdade, você não consegue ver muita semelhança entre o que está no lado direito e o que está no lado esquerdo da placa perfurada.

Então, isso realmente me deu uma visão da questão sobre o que é profundidade de campo na imagem “pinhole”? Uma imagem “pinhole” está sempre em foco, e mesmo se você mover a placa para frente e para trás, tudo está praticamente em foco: o ramo que está muito perto e o Sol que está muito longe estão ambos em foco.

Agora, em qualquer uma dessas imagens da placa perfurada, você vê uma imagem clara do galho e uma imagem agradável e nítida do Sol. Mas se você tirar uma foto e usar uma lente – se você encostar ou aproximar uma lente da placa perfurada – as pequenas imagens do Sol estão todas desviadas em direção ao centro.

Você pode considerar uma lente como uma coleção inteira de furos, cada um coberto com um pequeno prisma que simplesmente desvia a luz. E, de tal forma, que cada pequeno prisma desvia todas as imagens para o centro onde todas elas se sobrepõem. Todas essas imagens foram “espremidas” e sobrepostas em direção ao centro. Mas se eu tenho uma lente de abertura muito grande – com cerca de 20 cm de diâmetro – então vou tentar tirar essa imagem aqui e sobrepô-la com aquela imagem ali, que está a 20 cm de distância, e essas imagens são muito diferentes. O que vai acontecer?

Esta imagem tem uma silhueta do galho na frente dela, e esta tem imagens de folhas na frente dela. Então, se você pegasse todas essas imagens e as empilhasse, você teria que escolher se empilhava, sobrepondo as imagens do Sol ou as imagens da árvore.

Isso é o que a profundidade de campo é, porque se você usar uma pequena lente que é tão grande quanto um furo, então o ramo e o Sol vão estar ambos em foco. Mas se eu usar uma lente de grande diâmetro, então eu estou tentando sobrepor uma imagem daqui com uma imagem de lá, que é muito diferente.

Você pode ver o que causa isso, se você olhar para as casas à distância e segurar o seu dedo polegar para cima. Em seguida, alternadamente, olhe com apenas um olho, e em seguida, apenas com o outro olho. Você deve perceber que seu dedo polegar muda de posição em relação ao fundo. Aparece em um lugar diferente. Este olho vê o polegar na frente de uma casa, e o outro olho vê o polegar na frente de outra casa, e não há nenhuma maneira de fazer essas duas imagens alinharem e se sobreporem, porque elas são tão diferentes.

Com uma lente de abertura grande, você não pode alinhar tanto a coisa próxima quanto a coisa distante. Se você tem a pessoa em primeiro plano em foco, então a pessoa em segundo plano ficará desfocada. Mas se você usar uma lente muito pequena, como um furo “pinhole”, então tanto as coisas próximas quanto as coisas distantes podem estar em foco. Para colocar a imagem em foco com uma lente grande, você tem que decidir se você quer colocar a tela onde as imagens do Sol se sobrepõem ou onde os galhos se sobrepõem adequadamente.

Eu mostrei como você pode fazer um furo com sua mão para obter uma imagem de “pinhole”. Então, por impulso, cortei a forma de uma mão e fiz um furo nela. Especialmente no verão, o Sol está tão alto que você não consegue colocar sua mão alto o suficiente para ter uma imagem grande, mas com essa mão “extra”, você pode. Então, agora você pode ver uma imagem muito boa do Sol, com um monte de folhas na frente dele.

Mas o que foi divertido foi que eu fiz a mão de um espelho. Então isso significa que qualquer luz que a mão esteja bloqueando, já que é feita de um espelho, eu posso refletir essa luz aqui para uma placa. Então isso, na verdade, é realmente o lado bom de uma sombra. Esta é a mesma luz que a mão está bloqueando, não deixando-a alcançar a placa.

Agora, deixe-me encontrar uma silhueta desse grande galho lá em cima. Há uma silhueta do galho na frente da imagem do Sol na tela. Mas, agora, olhe para a luz refletida. O que é aquela mancha escura na palma da mão? Essa é a imagem inversa do Sol. Há um furo na palma da mão, então essa luz não pode ser refletida, certo? Mas a luz que atravessa o furo na palma da mão forma uma imagem do Sol com uma silhueta de um galho na frente dele. Então essa imagem é resultante da falta da luz refletida. Você vê uma imagem escura (“negativa”) do Sol com uma silhueta branca de um galho na frente dele! Simplesmente incrível!

Isso levou à criação de atividades do módulo Sombras Sofisticadas onde você pode ver que uma sombra é uma imagem ausente. Um modo diferente de pensar as sombras.

A sombra de uma borboleta ou a sombra de um avião, se ele estiver alto o suficiente, é realmente redonda porque está bloqueando uma imagem do Sol. Aqui está uma forma positiva de mostrar isso. Através de todos esses furos no contorno do avião, você tem uma imagem do Sol passando por cada furo. Agora, se eu puxar isso para trás cada vez mais, as imagens do Sol ficam cada vez maiores, mas seus centros nunca ficam mais distantes. Então, em algum momento, quando você se afastar o suficiente, cada uma dessas imagens do Sol será tão grande que eles vão compor uma grande imagem do Sol.

O negativo disso – o complemento disso – seria se eu tivesse um painel transparente com pequenos pontos pretos no contorno de uma borboleta e cada ponto bloqueasse uma imagem do Sol. À medida que eu recuasse cada vez mais, essas sombras seriam maiores e maiores e formariam (comporiam) uma grande imagem perdida do Sol. E o limite da resolução da imagem seria o tamanho da borboleta ou do avião.

Agora há uma imagem do Sol se formando através deste furo novamente. Você também pode dizer que há uma imagem vermelha do Sol lá, uma imagem azul e uma imagem verde do Sol. Há uma imagem do Sol para cada frequência presente na luz emitida pelo Sol. Se eu colocar um pequeno prisma sobre o furo, ele desvia bastante a imagem azul do Sol, e a verde um pouco menos.

Em outras palavras, você pode espalhar as imagens para o que chamamos de espectro, ou um arco-íris. Mas isso realmente é uma série de imagens coloridas do Sol que normalmente estão todas sobrepostas e você vê isso como branco. Mas se você colocar o prisma lá, então- como se você pegasse uma pilha de moedas e espalhasse – então você poderia ver todas as imagens coloridas do Sol. Então essa é a coisa divertida, porque o Sol também faz imagens infravermelhas, imagens ultravioletas e imagens de raios-X. Tudo o que você diz sobre a luz visível é verdade para toda as radiações. E Radiação é Informação. A informação é uma imagem de onde a radiação está vindo. Sombras de qualquer tipo de radiação são, realmente, imagens complementares.

Então, o que eu costumava pensar ser algo desinteressante sobre a difusão da luz branca acabou se tornando algo muito interessante. Se você pensar em cada pequena área no espaço contendo, na luz, todas as informações para formar uma imagem completa, completamente detalhada das coisas tanto próximas quanto distantes- aqui nesta pequena área do espaço, e aqui… e aqui – então me parece que estamos andando o tempo todo em um mar invisível de imagens.

Tudo que você tem que fazer para ver uma delas é simplesmente colocar seu olho bem “aqui” e deixar entrar um desses pequenos feixes de luz. E além de tudo isso, você vê isso “lá fora”, projetado no mundo real. Uau! Isso realmente é fantástico.”

Uma discussão”luminosa”

A Luz  – aquilo que está sendo emitido por essa tela enquanto você lê – é um tipo de coisa muito intrigante.

O que é Luz? E o que há nesta luz que vem desta tela que permite que você leia esse texto?

A primeira definição que o dicionário oferece é: Luz é “algo que torna as coisas visíveis ou proporciona iluminação”, uma definição vaga e insatisfatória, circular como um cão perseguindo sua própria cauda. Os físicos definem a luz como radiação eletromagnética – uma onda de energia viajante produzida por uma carga elétrica vibrante. Como a luz tem as propriedades de uma onda, podemos falar sobre seu comprimento de onda e frequência. A luz que nossos olhos podem ver – o espectro visível – é uma faixa estreita de comprimentos de onda no espectro eletromagnético, que também inclui ondas de rádio, raios-x, luz ultravioleta e radiação infravermelha.

A luz e outras radiações eletromagnéticas se movem rapidamente, viajando a quase 300.000 km/seg, muito rápido para você perceber seu movimento. Uma vez que não podemos ver a luz se mover, pensar nela como uma onda móvel pode ser um pouco difícil. E embora pensar na luz como uma onda seja muito útil para alguns propósitos, não é muito útil se você só quer saber por que você não pode ler no escuro.

Esperamos com esse Passeio com a Luz – e os experimentos que você tenha realmente realizado , ter lançado “uma nova luz” sobre o tema da Luz. Adotamos aqui uma definição que você não encontrará nos dicionários: Luz é Informação. Esta informação está viajando a quase 300.000 km/seg, ricocheteando por paredes, saltando como louca, e, às vezes, atingindo você diretamente no olho. Quando você retira a luz, você retira informações. Em uma sala escura, você pode ver pouco ou nada do seu entorno. Pouca ou nenhuma luz significa pouca ou nenhuma informação.

Considere um fotógrafo tirando uma foto colorida de um grupo de pessoas. Com uma câmera, filme e um pouco de luz, o fotógrafo pode tirar uma foto que contém uma grande quantidade de informações: você pode olhar para a foto e contar as pessoas ou determinar qual camisa colorida alguém usou naquele dia. De onde veio essa informação? Não estava no filme ou na câmera. A Informação estava na Luz.

O dicionário define uma imagem como “uma representação física de uma pessoa, animal ou coisa, fotografada, pintada, esculpida ou produzida de outra forma”. A fotografia de seu grupo de pessoas é uma imagem estática que contém grande parte das informações transportadas pela luz. Sempre que você olha para o seu entorno, você reúne imagens visuais – a luz que entra em cada olho faz uma imagem na retina do seu olho. Mesmo que você não possa ver a luz se mover, você pode experimentar diretamente as imagens que ela produz.

Em vez de definir a Luz como Informação, podemos simplesmente dizer que Luz é Imagem. Você pode preferir dizer que a Luz carrega informações e forma Imagens, mas qualquer frase que você escolha, está claro que Luz, Informação e Imagens andam juntas.

Essas páginas da Web apresentaram atividades que revelaram as imagens formadas pela luz, permitindo que você experimentasse e vivenciasse diferentes aspectos da luz de uma nova maneira. Você pode não sair daqui com uma definição verbal sucinta, resumida e sem graça de Luz e Imagens, mas você deve ter desenvolvido uma compreensão da Luz que lhe torne mais consciente das Imagens que navegam ao seu redor: seu reflexo em um espelho, a imagem ampliada que você vê através de um microscópio ou um telescópio, as múltiplas imagens que você vê quando a Lua reflete na água ondulada. Esperamos que essas atividades o ajudem a encontrar uma nova maneira de olhar para a Luz – uma nova maneira de Ver o Mundo ao seu redor.

O texto original de Bob Miller, dividido em 30 partes: “It beginshere…”