Para melhorar a visão

Na minha opinião, qualquer lista das invenções mais importantes da História, como a roda, a bússola, a eletricidade, a imprensa, o prego etc.¹, deveria incluir as lentes ópticas. As lentes permitiram a construção de microscópios para a exploração do mundo micro, a descoberta de microrganismos e a obtenção de uma série de conhecimentos fundamentais que levaram a avanços extremamente importantes em áreas como a biologia e a medicina. De forma análoga, por meio do uso de lentes, os cientistas construíram telescópios e com eles investigaram e descobriram uma infinidade de objetos celestes distantes, como planetas, estrelas e cometas, mudando totalmente nossa compreensão do Universo. Diversas outras áreas como a física, a química, a metalurgia, a ciência dos materiais e a arqueologia também se beneficiaram muito do uso das lentes.

Outra aplicação fundamental dessa invenção são as lentes oftálmicas ou lentes de grau, amplamente utilizadas em todo o mundo. Atualmente, nos Estados Unidos, 75,6% das pessoas usam algum tipo de lente corretiva para a visão, sendo que 63,7% usam óculos². No mundo todo, embora não se tenha uma estimativa confiável do número de pessoas que usam lentes corretoras, avalia-se que pelo menos 2,2 bilhões de pessoas têm algum tipo de deficiência visual e necessitam usá-las. A tendência para o futuro, com o envelhecimento da população mundial, é que esses números aumentem cada vez mais.

As origens das lentes são um tanto controversas. Em primeiro lugar, é importante ressaltar que as primeiras lentes foram criadas por artesãos e não por cientistas. Essa também parece ter sido uma característica das origens dos primeiros instrumentos ópticos, como óculos, microscópios e telescópios, mas não vamos tratar aqui dos dois últimos.

Muitos achados arqueológicos revelam objetos de materiais transparentes ou semitransparentes, como vidro ou algum tipo de cristal, com formato de lentes. Dentre esses materiais, o cristal de rocha e o vidro são os mais comuns. Cristal de rocha é o quartzo incolor e transparente, ou seja, um mineral natural composto por sílica (SiO2) cristalina. O vidro, por sua vez, é uma mistura de sílica com outros óxidos, como Na2O, CaO, B2O3, etc, que não apresenta estrutura cristalina, mas sim uma estrutura atômica desordenada ou amorfa³. Lentes de cristais preciosos ou semipreciosos também eram empregados, embora com muito menor frequência. Por exemplo, segundo Plínio, o Velho, o imperador romano Nero usava uma esmeralda como auxílio para assistir aos jogos dos gladiadores.

De forma geral, o cristal de rocha é um material superior ao vidro para a confecção de lentes, por diversos motivos. Do ponto de vista óptico, seu índice de refração⁴ é superior ao do vidro (aproximadamente 1,55 contra 1,52) e, assim, se compararmos duas lentes de dimensões idênticas, a lente de cristal de rocha terá aumento superior ao da lente de vidro. O cristal de rocha também apresenta maior de clareza e transparência em comparação com o vidro produzido nos tempos antigos, minimizando a distorção e permitindo imagens mais nítidas. Do ponto de vista mecânico, o cristal de rocha também é superior, pois é mais duro e durável, o que o torna menos propenso a arranhões, rachaduras ou fraturas do que o vidro. Portanto, a produção de lentes de cristal de rocha se torna vantajosa, muito embora os processos de corte e polimento sejam mais trabalhosos em virtude de sua maior dureza.

Apenas o formato e o tipo de material, entretanto, não bastam para garantir que um determinado objeto antigo seja uma lente. Para isso, é necessário que seu contexto arqueológico indique que tenha sido utilizado como um dispositivo óptico e não para outra função ou utilidade.

Um bom exemplo do que foi dito acima é a chamada “lente” de Nimrud (figura 1). Este objeto é um pedaço de cristal de rocha de formato plano-convexo datado de 750-700 a.C., descoberto em 1850 no palácio de Nimrud, no Iraque. Após sua descoberta, foram feitas diversas especulações sobre sua função, desde a simples utilização como lente de aumento para intrincados trabalhos de artesanato, até uma imaginada construção de telescópios por meio dos quais os assírios teriam observado os anéis de Saturno!

Especulações à parte, até hoje não há evidências concretas que permitam concluir que os assírios tenham empregado lentes de aumento por suas propriedades ópticas. Com base no contexto em que foi encontrado, dentre outros argumentos, o Museu Britânico, onde o objeto encontra-se exposto⁵, classifica este objeto como um simples tipo de incrustação decorativa, provavelmente para móveis.

Figura 1 – A “lente” de Nimrud exposta no Museu Britânico (esq.) e uma das 8 lentes de aumento do
conjunto encontrado na Ilha de Rodes (dir.)

As lentes mais antigas conhecidas foram produzidas no antigo Egito entre 2550-2525 a.C., ou seja, possuem hoje cerca de 4550 anos! Essas lentes de estrutura bastante complexa, entretanto, não tinham como função facilitar ou corrigir a visão, mas eram partes dos olhos de estátuas encontradas em escavações. Elas foram produzidas a partir de uma peça de cristal de rocha de alta qualidade com uma superfície frontal convexa altamente polida e a superfície posterior aproximadamente plana. Na região central da superfície posterior, alinhada com o centro da superfície polida anterior, há uma superfície côncava quase hemisférica de alta curvatura. Portanto, são lentes multifocais com duas áreas ópticas distintas. As complexas características dessas lentes antiquíssimas permitem concluir que foram produzidas por artesãos muito experientes⁶.

A estrutura dessas lentes resulta num efeito óptico singular. Quando montadas em seu lugar, como parte dos olhos das estátuas, o observador tem a impressão de estar sendo seguido pelo olhar das estátuas enquanto se desloca em frente a elas, de um lado para outro em qualquer direção. Além disso, na parte traseira desses olhos há um revestimento de cobre com o intuito de produzir um reflexo avermelhado (veja figura 2). Imagine, então, o impacto de entrar em uma câmara fechada há mais de 4 mil anos e perceber que os olhos das estátuas o acompanham enquanto você se move! Há notícias de trabalhadores saírem correndo e gritando desesperados.

Curiosamente, esta sofisticada tecnologia parece ter desaparecido por pelo menos 500 anos. Ressurgiu mais tarde na forma de lentes mais simples, plano-convexas ou biconvexas, no próprio Egito e também no Mediterrâneo para, posteriormente, se espalhar com relativa rapidez para as regiões da Grécia, Turquia, Palestina e outras regiões. Estas antigas lentes geralmente tinham uma finalidade que ainda hoje as crianças fazem com lentes de aumento, ou seja, simplesmente acender o fogo. Eram as chamadas pedras de fogo, na época também usadas na medicina para cauterizar ferimentos com o calor concentrado da luz solar. Nesse caso, a qualidade das lentes não era um item muito importante e muitas delas eram dotadas de um furo em seu centro por onde se passava um fio ou cordão para transportá-las amarradas. As lentes de aumento também eram utilizadas por artesãos ou artistas para gravar selos, medalhões ou adornos, fazer cunho para moedas ou desenhos e pinturas em miniatura.

No Mediterrâneo, um conjunto de cristais de rocha plano-convexos provenientes provavelmente do período entre 750-700 a.C. foi encontrado na Ilha de Rodes, próxima ao litoral da Turquia. Estes cristais foram examinados com instrumentos ópticos moderno quanto à sua qualidade de formação de imagens, aumento e resolução. Estes cristais têm um diâmetro de cerca de 20 mm e cada um deles está suportado por uma espécie de moldura dotada de uma saliência ou alça que funciona como suporte e facilita sua manipulação (veja a figura 1). Na borda dessas alças existem entalhes, em número de um a sete, sendo que dois dos artefatos não apresentam nenhum entalhe. Os resultados dos testes realizados mostraram que estes cristais produzem aumentos na faixa de 8 a 13 vezes, >e que o número de entalhes em suas bordas está relacionado com a qualidade das imagens obtidas e sua resolução. As melhores imagens foram produzidas pelas duas amostras que não têm entalhes, enquanto aquela lente cujo cristal contém um claro defeito e produz imagens de baixa qualidade está marcada com sete entalhes. Embora para as lentes restantes a correlação entre a qualidade da imagem e o número de entalhes não seja tão clara, pode-se concluir com boa margem de segurança que estes artefatos eram realmente utilizados como lentes de aumento⁷.

Os mais antigos trabalhos na área de óptica são os tratados do matemático grego Euclides (c. 300 a.C.) e, quase 500 anos depois, do grego Ptolomeu (século II d.C.) que viveu no Egito, na cidade de Alexandria. O texto de Ptolomeu sobreviveu graças a uma pobre tradução para o árabe. Este trabalho traz importantes contribuições para a compreensão do fenômeno da refração da luz, por meio do estudo de como a luz se comporta ao se propagar de um meio menos denso para outro meio mais denso, como ar-água, ar-vidro ou água-vidro. Ptolomeu realizou medidas dos ângulos de incidência e de refração e observou corretamente que a luz se aproxima da direção normal à interface entre os meios, embora não tenha proposto a relação matemática correta entre esses ângulos (ele propôs uma relação parabólica). O trabalho de Ptolomeu teve o grande mérito de utilizar o método experimental, coisa muito rara na ciência da sua época. Isso o coloca como um dos pioneiros do método científico,
séculos antes do Renascimento.

Normalmente aprendemos na escola que a lei que relaciona os ângulos de incidência e de refração foi determinada pelo astrônomo e matemático holandês W. Snell, em 1621. Na realidade, esta lei foi originalmente descoberta mais de 600 anos antes, no ano de 984 d.C. pelo matemático e físico persa Abū Sad al-Alā Ibn Sahl, que estudou as propriedades de espelhos e lentes curvas. Ibn Sahl, que viveu e trabalhou em Bagdá no Iraque, determinou corretamente as leis da refração e, a partir dessas leis, determinou o formato ideal de uma lente para que sua aberração geométrica⁸ seja nula, a chamada lente anaclástica. No Ocidente, este resultado foi obtido pelo francês R. Descartes muito mais tarde, no ano de 1637.

A lei da refração expressa que n₁ sen(θ₁) = n₂ sen(θ₂), onde n₁ e n₂ (tal que n₂ > n₁) são os índices de refração dos dois meios e θ₁ e θ₂ são os ângulos de incidência e refração, respectivamente. O diagrama de Ibn Sahl (veja figura 3) representa a interface entre os dois meios na posição vertical, a direção normal a esta interface, e os raios incidente e estendido, sendo este último um prolongamento do raio refratado. Assim, formam-se dois triângulos retângulos. Com essa construção, Ibn Sahl determinou que para um dado par de meios a razão sen(θ₁)/sen(θ₂) é uma constante igual ao inverso da razão entre as hipotenusas dos triângulos e igual à razão n₂/n₁ entre os índices de refração dos meios envolvidos.

Uma imensa contribuição para o estudo da óptica veio pouco tempo depois, graças ao trabalho de Hasan Ibn al-Haytham, físico, matemático e astrônomo conhecido no Ocidente como Alhazen, que viveu na região do atual Iraque, entre 965 e 1040 d.C. Seu trabalho tem importância tão grande que ele é considerado o “pai da óptica moderna”. Sua obra mais importante intitulada “Livro da Óptica”, escrita no período 1011–1021, sobreviveu em uma tradução para o Latim realizada no século XII.

Alhazen fez contribuições significativas aos princípios da óptica e da percepção visual, tendo sido o primeiro a explicar corretamente a teoria da visão. Ele demonstrou que a luz entra no olho, ao contrário da crença antiga de que os olhos emitiam raios visuais, e também sugeriu que a visão ocorre no cérebro. Ele fez grandes contribuições ao estudar a reflexão, a refração e a natureza das imagens formadas por raios de luz. Foi um pioneiro no método científico cinco séculos antes dos cientistas renascentistas.

O trabalho de Alhazen, traduzido para o latim no século XII, influenciou pensadores europeus e coincidiu com a disseminação no continente das chamadas pedras de leitura. Essas pedras, de material transparente ou semitransparente, eram polidas no formato de lentes de aumento plano-convexas e, quando posicionadas sobre o texto, formavam uma imagem ampliada, facilitando a leitura.

Um conjunto de objetos em forma de lentes biconvexas foi encontrado em túmulos Vikings datados do século XI ou XII d.C. em Visby, na Suécia. Algumas destas lentes estavam montadas em molduras de prata trabalhada (veja figura 4), enquanto outras não. Medidas realizadas com laser mostraram que essas lentes são asféricas⁹, constituídas por duas superfícies de forma elipsoidal quase perfeita, de concavidades distintas (figura 4). A combinação dos efeitos destas duas superfícies resulta em uma aberração geométrica praticamente nula, ou seja, sem distorções nas bordas, com qualidade de imagem comparável à de modernas lentes produzidas atualmente. Este fato demonstra que os artesãos da idade média que as produziram dispunham de um conhecimento profundo sobre como polir um pedaço de cristal de rocha de maneira a obter o efeito ótico desejado.

Não se sabe a origem das lentes de Visby. Especula-se que possam ter vindo do Oriente, talvez do Império Bizantino, uma vez que os Vikings tinham contato e comerciavam com países distantes. Há ainda a possibilidade de as lentes serem mais antigas que os achados arqueológicos onde foram encontradas. Qualquer que seja o local e a época de fabricação dessas lentes, observa-se que este sofisticado conhecimento empírico, mais uma vez, parece ter se perdido por séculos até retornar mais tarde na Europa.

Figura 4 – Uma das lentes de Visby (século XI-XII) com moldura de prata (esq.) e o perfil da superfície de uma das lentes (pontos) ajustada por uma elipse (curva superior) e em comparação a um círculo (curva inferior, dir.)¹⁰

No século XIII, Robert Grosseteste (c. 1170–1253) filósofo, teólogo e cientista da Inglaterra estudou os antigos textos e produziu importantes trabalhos sobre óptica. Escreveu o trabalho “Sobre o Arco-Íris” no qual, em um trecho muito citado, diz:

“Esta parte da óptica, quando bem compreendida, nos mostra como podemos fazer com que coisas muito distantes pareçam estar muito próximas, e coisas grandes próximas pareçam muito pequenas, e como podemos fazer com que coisas pequenas colocadas à distância pareçam de qualquer tamanho que quisermos, de modo que seja possível ler as menores letras a distâncias incríveis, ou contar areia, sementes ou qualquer tipo de objeto minúsculo.”

Roger Bacon (c. 1219–1292) filósofo, teólogo e polímata inglês continuou o trabalho de Grosseteste na área da óptica e foi um dos primeiros europeus a descrever as propriedades das lentes e como elas poderiam ser empregadas para criar instrumentos para melhorar ou auxiliar a visão. Alguns afirmam que Bacon que teria sido a primeira pessoa a usar óculos com lentes corretivas, mas isso não corresponde à realidade.

Como dito no início desse texto, os óculos foram inventados por artesãos, não por cientistas, mas acredita-se que o desenvolvimento e difusão do conhecimento científico tenha servido como pano de fundo para o florescimento dessa invenção. Os primeiros óculos foram produzidos no norte da Itália, provavelmente em Pisa ou Veneza, por volta do ano de 1290 por um desconhecido, que provavelmente não quis divulgar sua invenção. Em 1306, um frei franciscano de Pisa escreveu em seu sermão que os óculos haviam sido inventados há menos de 20 anos. Logo após, outro frei da mesma cidade, Alessandro di Spina aprendeu a produzir, divulgou e compartilhou a nova invenção. Os primeiros óculos eram pares de lentes biconvexas suportadas por armações sem hastes apoiadas sobre o nariz e eram utilizados principalmente por religiosos e acadêmicos. Acredita-se que a representação gráfica mais antiga do uso de óculos seja o retrato pintado por Tommaso de Modena em 1352 do cardeal Ugo de San Caro lendo um manuscrito (veja figura 5).

Nos últimos 700 anos, os óculos incorporaram diversos aperfeiçoamentos. Dentre eles, as hastes para apoio sobre as orelhas, as lentes bifocais inventadas por Benjamin Franklin em 1784, as lentes cilíndricas para corrigir o astigmatismo por Sir George Airy em 1825 e as multifocais por Bernard Maitenaz em 1959. Até hoje, entretanto, os óculos continuam essencialmente os mesmos.

Por outro lado, espera-se que o avanço da tecnologia ainda traga grandes novidades. Uma das mais recentes são os óculos com lentes elásticas preenchidas por um líquido transparente que permitem variar o grau ao gosto do usuário. Óculos que permitem enxergar no escuro também são uma promessa.

Tudo leva a crer que vamos depender desta tecnologia ainda durante muito, muito tempo.

Como disse um dos milhões de usuários:

“Os óculos duplicaram a vida ativa de todos os que leem ou fazem algum tipo de trabalho detalhado, e impediram que o mundo fosse governado pelas pessoas com menos de 40”!

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1. Muitos não costumam incluí-lo na lista, mas a invenção do prego (e o parafuso, que
   decorreu dele) foi fundamental para diversas tecnologias, como marcenaria, construção
   civil, mecânica, etc. ↩︎
2. The Vision Council (thevisioncouncil.org) ↩︎
3. Diz-se que um material apresenta estrutura cristalina quando seus átomos estão
   dispostos no espaço de maneira ordenada e periódica. Quando a disposição espacial dos
   átomos não é ordenada e sim desordenada, então o material é denominado amorfo. ↩︎
4. O índice de refração de um certo material é definido como a razão entre a velocidade da
   luz no vácuo e a velocidade da luz no interior desse material. ↩︎
5. A “lente” de Nimrud, também conhecida como lente de Layard, pode ser vista no Museu
   Britânico, acesse: https://www.britishmuseum.org/collection/object/W_-90959 ↩︎
6. J. M. Enoch, Archeological optics: the very first known mirrors and lenses. Journal of
   Modern Optics 54 (2007) 1221. ↩︎
7. G. Tsouvala et al., Journal of Archaeological Science: Reports 53 (2024) 104320. ↩︎
8. A aberração geométrica ocorre quando os raios de luz que incidem próximo às bordas
   da lente não convergem no mesmo ponto que os raios próximos ao centro. ↩︎
9. Lentes asféricas são lentes cujas superfícies não têm a forma de parte de uma esfera. ↩︎
10. O. Schmidt et al., The Visby Lenses. Optometry and Vision Science 76 (1999) 624. ↩︎