miniatura|upright=1.3|Um prisma triangular dispersa um feixe de luz branca, separando os comprimentos de onda mais longos, em vermelho, dos mais curtos, em verde e azul.
Luz, luz visível ou radiação visível é a radiação eletromagnética que pode ser percebida pelo olho humano. A definição de luz no vocabulário é "qualquer radiação capaz de causar diretamente uma sensação visual". A luz visível abrange o espectro visível e costuma ser definida pela faixa de comprimentos de onda de 400 a 700 nanômetros, ou nm, que corresponde a frequências de 430 a 750 terahertz. Essa faixa fica entre o infravermelho, com comprimentos de onda mais longos e frequências mais baixas, e o ultravioleta, com comprimentos de onda mais curtos e frequências mais altas. Essas três faixas formam a chamada radiação óptica.
Na física, o termo "luz" também pode abranger a radiação eletromagnética de qualquer comprimento de onda, visível ou não. Nesse sentido, raios gama, raios X, micro-ondas e ondas de rádio também são luz. Por isso, é comum chamar a radiação visível de luz visível.
As principais propriedades da luz são a intensidade, a direção de propagação, o espectro de frequências ou comprimentos de onda e a polarização. Sua velocidade no vácuo, de 299.792.458 m/s, é uma das constantes fundamentais da natureza. Toda radiação eletromagnética apresenta propriedades de partículas e de ondas. As partículas elementares de luz, sem massa, chamadas de fótons ou quanta, podem ser detectadas individualmente com equipamentos especializados. Fenômenos como a interferência são explicados pelo comportamento ondulatório. A óptica geométrica permite compreender a maior parte das interações com a luz que ocorrem no dia a dia. A óptica quântica é uma das áreas de pesquisa da física moderna.
A principal fonte de luz natural da Terra é o Sol. O fogo também foi uma fonte de luz muito usada pelos seres humanos, das antigas fogueiras às lâmpadas de querosene. Com o desenvolvimento das lâmpadas elétricas e dos sistemas de distribuição de energia, a iluminação elétrica substituiu em grande parte a luz do fogo.
Espectro eletromagnético e luz visível miniatura|380px|O espectro eletromagnético, com a faixa visível em destaque. O gráfico inferior apresenta os comprimentos de onda do espectro visível em nanômetros, ou nm.
A radiação eletromagnética costuma ser classificada pelo comprimento de onda em ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, espectro visível, que percebemos como luz, ultravioleta, raios X e raios gama. O termo "radiação" exclui os campos elétricos estáticos, os campos magnéticos estáticos e os campos próximos.
O comportamento da radiação eletromagnética depende de seu comprimento de onda. Frequências mais altas correspondem a comprimentos de onda mais curtos, e frequências mais baixas, a comprimentos de onda mais longos. Quando a radiação interage com átomos e moléculas individuais, seu comportamento depende da energia que cada quantum transporta.
Na faixa da luz visível, os quanta de radiação eletromagnética, chamados de fótons, têm energias próximas ao limite inferior necessário para excitar elétrons nas moléculas. Essa excitação provoca mudanças nas ligações ou no comportamento químico da molécula. Em condições usuais, os fótons infravermelhos têm energia insuficiente para provocar a mudança na conformação do retinal, a molécula da retina humana cuja alteração desencadeia a sensação visual.
Algumas serpentes detectam o infravermelho por meio de órgãos sensoriais especializados, como a fosseta loreal. A radiação aquece a membrana desses órgãos e ativa canais iônicos sensíveis à temperatura. Essa forma de visão térmica permite localizar presas e predadores pelo calor que emitem.
Grande parte da radiação ultravioleta é absorvida pela córnea e pelo cristalino antes de chegar à retina, onde ficam os bastonetes e cones. Essa filtragem varia com o comprimento de onda e com a idade, e pequenas quantidades de ultravioleta podem chegar à retina de pessoas jovens. Muitos animais, como insetos e camarões, detectam o ultravioleta por mecanismos quânticos de absorção de fótons, em um processo químico semelhante ao da percepção humana da luz visível.
A definição dos limites da luz visível varia de uma faixa mais estreita, de 420 a 680 nm, a uma mais ampla, de 380 a 800 nm. Em condições ideais de laboratório, as pessoas podem enxergar radiação infravermelha com comprimentos de onda de pelo menos 1.050 nm. Com pulsos de laser no infravermelho próximo, a absorção de dois fótons pode provocar a isomerização dos pigmentos visuais e produzir uma sensação luminosa. Crianças e adultos jovens podem perceber radiação ultravioleta com comprimentos de onda de até cerca de 310 a 313 nm.
O espectro de cores da luz também afeta o crescimento das plantas, em um processo chamado fotomorfogênese.
Velocidade da luz
miniatura|Feixe de luz solar no interior da cavidade de Rocca ill'Abissu, em Fondachelli-Fantina, na Sicília.
A velocidade da luz no vácuo é definida como exatamente 299.792.458 m/s. Esse valor fixo nas unidades do Sistema Internacional decorre da definição do metro a partir da velocidade da luz. Todas as formas de radiação eletromagnética se propagam no vácuo com essa mesma velocidade.
Os físicos tentam medir a velocidade da luz há séculos. Galileu Galilei fez uma tentativa no século XVII. Em 1676, o físico dinamarquês Ole Rømer realizou um dos primeiros experimentos para medi-la. Com um telescópio, observou os movimentos de Júpiter e de Io, um de seus satélites naturais. Ao notar discrepâncias no período aparente da órbita de Io, calculou que a luz levava cerca de 22 minutos para percorrer o diâmetro da órbita terrestre. Esse diâmetro ainda não era conhecido. Se Rømer soubesse seu valor, teria calculado uma velocidade de 227.000.000 m/s.
Em 1849, Hippolyte Fizeau fez uma medição mais precisa na Europa. Ele dirigiu um feixe de luz a um espelho a quilômetros de distância. Uma roda dentada em rotação foi colocada no caminho do feixe, que ia da fonte ao espelho e voltava ao ponto de partida. Fizeau constatou que, em determinada velocidade de rotação, o feixe passava por um vão entre os dentes na ida e atingia um dente na volta. A distância até o espelho, o número de dentes e a velocidade de rotação permitiram calcular a velocidade da luz em 313.000.000 m/s.
Em 1862, Léon Foucault obteve o valor de 298.000.000 m/s em um experimento com espelhos giratórios. Albert A. Michelson realizou experimentos para medir a velocidade da luz de 1877 até sua morte, em 1931. Em 1926, aperfeiçoou os métodos de Foucault com espelhos giratórios aprimorados para medir o tempo que a luz levava para ir do monte Wilson ao monte San Antonio, na Califórnia, e voltar. As medições precisas resultaram em uma velocidade de 299.796.000 m/s.
A velocidade efetiva da luz em substâncias transparentes compostas de matéria comum é menor que no vácuo. Na água, por exemplo, ela é cerca de três quartos da velocidade no vácuo.
Em 2001, duas equipes independentes de físicos anunciaram ter feito a luz "parar" e voltar a se propagar. Uma equipe, da Universidade Harvard e do Instituto Rowland de Ciência, usou átomos de sódio ultrafrios. A outra, do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, usou vapor de rubídio em uma mistura com hélio. Nos experimentos, a informação de um pulso luminoso foi armazenada em estados dos átomos e recuperada com um segundo feixe de laser. Durante o armazenamento, não havia um feixe de luz imóvel dentro do material.
Óptica
centro|upright=2
O estudo da luz e de sua interação com a matéria chama-se óptica. Cada ramo da óptica se aplica a determinadas situações. A óptica geométrica permite compreender o funcionamento de olhos, lentes, câmeras, fibras ópticas e espelhos. Ela funciona bem quando o comprimento de onda da luz é pequeno em comparação com os objetos com que interage. A óptica ondulatória incorpora as propriedades das ondas e é necessária para compreender a difração e a interferência. A óptica quântica estuda a interação de fótons individuais com a matéria.
Espalhamento nas superfícies Um objeto transparente permite que a luz o atravesse, ou seja, que seja transmitida. Um objeto opaco impede essa passagem e reflete ou absorve a luz que recebe. A maioria dos objetos não reflete nem transmite a luz de forma inteiramente especular, mas espalha parte da luz incidente, o que determina seu brilho superficial. O espalhamento na superfície decorre da rugosidade das superfícies refletoras. No interior do objeto, ele decorre da diferença entre os índices de refração das partículas e do meio em que elas se encontram. Assim como os objetos transparentes, os translúcidos deixam a luz passar, mas também espalham internamente determinados comprimentos de onda.
Refração
miniatura|Por causa da refração, o canudo mergulhado na água parece dobrado, e a escala da régua parece comprimida quando vista de um ângulo próximo à superfície.
A refração é o desvio dos raios de luz ao atravessar a superfície que separa dois materiais transparentes. A lei de Snell expressa essa relação:
Nessa expressão, é o ângulo entre o raio e a normal à superfície no primeiro meio, e é o ângulo entre o raio e a normal no segundo meio. As grandezas e são os índices de refração, com no vácuo e em uma substância transparente.
Quando um feixe de luz atravessa a fronteira entre o vácuo e outro meio, ou entre dois meios diferentes, seu comprimento de onda muda, mas sua frequência permanece constante. Se o feixe não for perpendicular à fronteira, ou seja, se não seguir a direção da normal, a mudança de comprimento de onda altera sua direção de propagação. Essa mudança de direção chama-se refração.
A capacidade das lentes de refratar a luz é usada com frequência para alterar o tamanho aparente das imagens. Lupas, óculos, lentes de contato, microscópios e telescópios refratores são exemplos desse uso.
Fontes de luz
Há muitas fontes de luz. Um corpo a determinada temperatura emite um espectro característico de radiação de corpo negro. Um exemplo simples de fonte térmica é a luz solar, cuja maior parte da emissão visível vem da fotosfera do Sol, a cerca de 6.000 K. A radiação solar atinge seu máximo na região visível do espectro eletromagnético quando é apresentada em função do comprimento de onda. Cerca de 44% da energia irradiada pelo Sol está na faixa visível. Outro exemplo são as lâmpadas incandescentes, que emitem apenas cerca de 10% de sua energia como luz visível e o restante como infravermelho. As partículas sólidas incandescentes nas chamas foram uma fonte térmica de luz muito usada, mas também emitem a maior parte da radiação no infravermelho e apenas uma fração no espectro visível.
Em objetos relativamente frios, como os seres humanos, o pico do espectro de corpo negro fica no infravermelho distante, em um comprimento de onda de cerca de 10 micrômetros. À medida que a temperatura aumenta, o pico se desloca para comprimentos de onda mais curtos. O brilho passa primeiro pelo vermelho, depois pelo branco e por fim pelo branco azulado, à medida que o pico sai da faixa visível e entra no ultravioleta. Essas cores podem ser vistas quando um metal é aquecido até ficar "rubro" ou "branco de tão quente". A emissão térmica branco-azulada é pouco comum fora das estrelas. O azul puro que se vê com frequência em uma chama de gás ou em um maçarico de soldagem resulta da emissão molecular, sobretudo de radicais CH, que emitem em uma faixa em torno de 425 nm. Essa cor não ocorre nas estrelas nem na radiação puramente térmica.