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Quando olhamos para uma piscina, as coisas não parecem bem o que são. Na realidade, parece que tudo está espremido e que a própria piscina é mais rasa do que deveria ser. A razão para isso tem a ver com a forma como a luz atravessa a água e o ar.
Ondas de luz
A luz que vem de uma fonte ou é rebatida por um objeto se desloca em uma onda. Assim como uma onda de água na superfície de um lago se propaga de dentro para fora, como um círculo em expansão, a onda de luz (ou qualquer outra que se mova em três dimensões) se propaga de dentro para fora como uma esfera em expansão. Quando a esfera de luz encontra um objeto ou uma superfície, ela o ilumina. Quando atravessa outro meio, como quando a luz deixa a água e entra no ar, algo acontece com a onda.
A natureza da luz
A identidade de uma onda de luz está profundamente arraigada no reino da mecânica quântica, mas, para nosso propósito, podemos pensar nela como ondas de campos elétricos e magnéticos. Sempre que um campo elétrico se move, ele cria um campo magnético, e este, por sua vez, cria mais campos elétricos. Juntos, os dois produzem uma onda de energia que nós percebemos como luz. É por isso que a luz também é chamada de radiação eletromagnética.
A luz e os meios
A luz viaja a uma velocidade fixa no vácuo, o que define a velocidade da luz. Contudo, quando a luz atravessa um meio (como o ar, água ou vidro), ela se desloca um pouco mais devagar. Visto que a luz é composta de campos elétricos e magnéticos, partículas eletricamente carregadas sentem sua presença. Conforme as ondas de luz atravessam um meio, elas fazem todos os seus prótons e elétrons oscilar um pouco, e essa oscilação faz com que as partículas emitam sua própria radiação eletromagnética, que vem logo depois da luz original. Quando essas ondas atrasadas se somam, isso resulta em uma onda de luz com a mesma frequência, mas comprimento de onda mais curto, produzindo o efeito da luz se movendo mais lentamente através de um meio.
Refração
Conforme a onda de luz passa para um novo meio, ela muda de velocidade. Essa mudança de velocidade é acompanhada por uma mudança de ângulo. Uma analogia clássica para isso é feita com uma banda marcial. Imagine o efeito nas fileiras de músicos à medida que eles passam de um pavimento liso para um atoladeiro enlameado, o que os desacelera. A transição se dá em um determinado ângulo, de modo que o lado esquerdo do grupo chega na lama primeiro, seguido pelo lado direito. Como você pode imaginar, se os músicos mais lentos da esquerda quiserem manter-se alinhados com os mais rápidos da direita, eles precisam mudar de direção ligeiramente. Quando todos estão na lama, eles se movem um pouquinho à esquerda em relação à direção original. Da mesma maneira, as ondas dianteiras da luz mudam de direção à medida que passam de um meio para outro.
Efeitos
Dessa maneira, a refração da luz produz a ilusão da piscina rasa. Enquanto você observa a piscina de cima para baixo, está vendo a luz que muda de ângulo enquanto sai da água para o ar. Especificamente, a luz se desloca muito mais rápido no ar do que na água. A luz que vem do fundo da piscina é refratada em seus olhos em um ângulo menor. Assim, você vê o fundo da piscina um pouquinho acima da posição em que ele realmente se encontra.