Físicos mostram que a luz pode exercer força suficiente para mover objetos microscópicos.

Em laboratórios silenciosos e garagens improvisadas, físicos observam feixes de luz a empurrar pequenas esferas, células e até bolhas frágeis—prova de que os fotões transportam um momento que se pode sentir à escala microscópica. Parece ficção científica até que os números fazem sentido.

Era o final de uma tarde num laboratório sem janelas, do tipo onde o ar cheira levemente a eletrónica aquecida e acetona. Um ponto verde tremia no ecrã, pairando sobre uma gota de água presa por metal preto anodizado. Alguém sussurrou, outro prendeu a respiração, e a estudante de doutoramento girou o botão de potência um milímetro para cima. A esfera dentro da gota deslizou—de forma quase impercetível—como um grão de pó a decidir mudar de ideias. Todos já tivemos esse momento em que o mundo revela uma dobradiça escondida e o cérebro gira em silêncio. A sala não aplaudiu. O gráfico sim, com uma dobra nítida na linha. O feixe tinha empurrado a esfera. A prova não era ruidosa, mas era inegável. A luz estava a fazer trabalho.

Quando um feixe se torna uma mão

À escala microscópica, a luz comporta-se menos como um brilho e mais como uma ferramenta. Os fotões transportam momento linear e, quando colidem ou refratam em objetos microscópicos, transferem esse momento sob a forma de força. Essa força é minúscula para os nossos dedos mas poderosa para uma esfera de dez micrómetros a flutuar em água—suficiente para a mover, direcionar ou até mantê-la imóvel contra o movimento browniano.

Numa configuração comum, um laser infravermelho intensamente focado cria uma “armadilha óptica” tridimensional em torno de uma esfera de sílica. Um leve rodar do botão aumenta a potência e a esfera desliza um micrómetro para a direita. Outra volta e a esfera regressa ao centro, como se estivesse presa a uma mola invisível. Em 2018, esta abordagem recebeu um Nobel pela forma como segura bactérias, filamentos de ADN e células vivas sem contato físico. Alguns cêntimos de tempo de laser, alguns piconewtons de força—movimento que se vê, medido em pixéis e micrómetros por segundo.

Se gosta de equações, o resumo do momento é simples: F ≈ nP/c. Aqui, P é a potência do laser, c é a velocidade da luz e n é o índice de refração do meio. Com 1 mW obtém-se cerca de 3,3 piconewtons—mais ou menos o necessário para puxar uma esfera de escala micrométrica contra uma corrente suave. Reflexão e refração alteram os detalhes, mas a ideia base mantém-se: feixes mais brilhantes, empurrões mais fortes; foco mais apertado, gradientes mais acentuados; uma rigidez de armadilha que ronda tipicamente 0,1–1 pN por micrómetro. É física visível com uma câmara e um polegar paciente.

Como detetar um empurrão feito de fotões

Para medir a força da luz, comece pequeno e estável. Suspenda esferas de tamanho micrométrico em água sobre uma lâmina fina, foque um laser perto do infravermelho (frequentemente 1064 nm) através de um objetivo de alta abertura numérica, e monitorize o movimento da esfera com uma câmara rápida. Calibre a força arrastando o líquido a velocidade conhecida, usando a lei de Stokes para relacionar a velocidade à força de resistência, ou extraia a rigidez da armadilha a partir do espectro de potência oscilante da esfera. De qualquer forma, traduz movimento em números e números em força.

Guarde a sua amostra como um soufflé. Potência a mais aquece a água e adiciona convecção indesejada; pouca potência e a esfera desafia a armadilha. O desvio instala-se com variações de temperatura ambiente e vibrações do corredor. Sejamos honestos: ninguém alinha um laser perfeitamente à primeira tentativa. Adicione um pouco de amortecimento de vibrações, registe a potência do laser junto das imagens, e mantenha os tempos de exposição curtos para evitar desfocagem por movimento. O seu eu futuro agradecerá ao seu eu passado.

Mais uma coisa importa: humildade com os dados. Siga múltiplas esferas, troque potências, repita até que a tendência supere todas as correções.

“O truque não é fazer a esfera mover,” disse-me um pós-doc. “É provar que foi a luz a fazê-lo, não a mesa, o ar, ou as tuas esperanças.”

• Utilize dois métodos de calibração, não apenas um.
• Registe variações de temperatura com um termístor simples.
• Verifique a linearidade: se duplicar a potência, duplicou a força?
• Altere os meios: água vs. glicerol dá pistas sobre precisão no arrasto.
• Trape uma esfera refletora e uma transparente para comparar.

O que muda quando podemos empurrar com luz

As pinças ópticas já estão a mudar a forma como exploramos biomoléculas, puxando ADN para ver desenrolar, e medindo proteínas motoras enquanto se movem. Empurrões à escala do piconewton guiam células sem as tocar, útil quando “tocar” é sinónimo de “danificar”. Mesmo fora dos microscópios, o empurrão da luz solar move sondas espaciais—como a LightSail que muda suavemente de órbita apenas com a força da nossa estrela. Mais perto de casa, investigadores experimentam micro-robôs movidos a luz que nadam ao dispersar fotões, separam partículas em canais microfluídicos como porteiros com feixes de luz e moldam matéria mole com padrões que puxam aqui, soltam ali. Não é um “tractor beam” de fantasia, embora certos formatos de feixes possam puxar e empurrar nestas escalas. É mais honesto do que isso: uma força mensurável, regulável por potência e geometria, com força suficiente para importar em mundos minúsculos.

Perguntas Frequentes:

• A luz consegue mesmo mover objetos, ou é só aquecimento? Sim, a luz exerce realmente força por transferência de momento. O aquecimento pode criar fluxos, por isso as experiências separam efeitos térmicos da pressão de radiação com controlos e calibrações.
• Quão forte é a força em comparação com forças do dia-a-dia? Minúscula à escala humana—piconewtons a dezenas de piconewtons—mas mais que suficiente para mover esferas micrométricas ou dobrar filamentos biológicos suaves.
• São necessários lasers exóticos para tentar isto? Não. Um laser estável de potência modesta (dezenas a centenas de miliwatts) e um objetivo de alta abertura numérica bastam. A arte está no alinhamento, focagem e medição cuidadosa.
• É a mesma ideia das velas solares? É a mesma física—os fotões transportam momento. Velas solares funcionam em grandes membranas delicadas no espaço; armadilhas ópticas concentram intensidade em alvos minúsculos em líquido ou ar.
• E os “tractor beams” que puxam em vez de empurrar? Formatos especiais de feixes e efeitos de campo próximo podem criar forças de gradiente que puxam partículas para a fonte. É real em pequenas escalas e condições específicas, não um truque mágico de naves espaciais.