Os estudos oftalmológicos de Thomas Young: 1773-1801.

## OS ESTUDOS OFTALMOLÓGICOS DE THOMAS YOUNG: 1793-1801. THOMAS YOUNG'S OPHTHALMOLOGICAL STUDIES: 1793-1801.

## Jean Batista Apolinário Costa 1 , Breno Arsioli Moura 2

- 1 Graduando em Ciência e Tecnologia, Universidade Federal do ABC (UFABC), Santo André, SP, Brasil. E-mail: jean.costa@aluno.ufabc.edu.br.
- 2 Doutor em Ensino de Ciências, Universidade de São Paulo (USP). Professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), Santo André, Brasil. E-mail: breno.moura@ufabc.edu.br.

## Resumo

Nesse trabalho, discutimos algumas das contribuições do filósofo natural Thomas Young (1773-1829) para a óptica fisiológica. Em dois de seus artigos publicados nas Philosophical Transactions da Royal Society , Young abordou questões oftalmológicas de um ponto de vista matemático e óptico, formulando experimentos e equações com o intuito de resolver questões em aberto. Uma dessas questões era o processo de acomodação ocular, tema de seu artigo 'Observations on Vision' (1793), no qual propôs uma explicação baseada na existência de uma musculatura na lente cristalina. Retornou a esse tópico em 'On the Mechanism of the Eye' (1801), inovando ao realizar uma série de experimentos para confirmar o envolvimento da lente na acomodação. Além de lidar com a acomodação, Young apresentou novas proposições ópticas, aprimorou o optômetro, realizou diversas medições do olho e descreveu pela primeira vez o astigmatismo. Essas contribuições são pouco conhecidas, mas foram parte importante da carreira científica de Young e ajudam a esclarecer aspectos de sua filosofia natural e metodologia.

Palavras-chave : Óptica, Fisiologia Ocular, Acomodação, História da Ciência, Thomas Young.

## Abstract

This work discusses some of Thomas Young's (1773-1829) contributions to physiological optics. In two articles published on the Philosophical Transactions of the Royal Society, Young discussed ophthalmological questions from mathematical and optical points of view, formulating experiments and equations in order to find answers to some enduring questions. One of these questions was the process of visual accommodation, subject of his article 'Observations on Vision' (1793), where he proposed an explanation based on the existence of a musculature in the crystalline lens. He returned to this topic in 'On the Mechanism of the Eye' (1801), performing a series of experiments to verify the lens' involvement in accommodation. Besides dealing with accommodation, Young also developed new optical propositions, improved the optometer, provided several eye measurements and described astigmatism for the first time. Such contributions are little known, but were important

part of his scientifical career and are helpful to clarify aspects of his natural philosophy and methodology.

Keywords : Optics, Ocular Physiology, Accomodation, History of Science, Thomas Young.

## Introdução

No ensino de física, o filósofo natural inglês Thomas Young (1773-1829) é mais conhecido por seus trabalhos relacionados à natureza da luz, em especial por seu papel na retomada da teoria ondulatória da luz no século 19. Em 1800, apresentou a ideia de que ondas sonoras eram capazes de sofrer interferência construtiva e destrutiva, e no ano seguinte estendeu esse princípio de interferência para abranger fenômenos luminosos, fazendo analogia entre a luz e som para defender a hipótese da luz como ondas em um éter luminífero. Em outros contextos, Young também é comumente lembrado pelo módulo de elasticidade que leva seu nome, e por sua contribuição no deciframento da pedra de Rosetta. Ao longo de sua vida, trouxe contribuições em diversas áreas do conhecimento, tanto nas ciências quanto nas humanidades.

Em meio a essa variedade de interesses, pode-se identificar um tema em comum no plano de fundo de suas principais publicações científicas: a medicina. Após formar-se como médico entre 1794 e 1800, estabeleceu-se em Londres e buscou conciliar a prática médica com seus outros estudos. É evidente em seus artigos a maneira com que a medicina direcionou e mesclou-se com seus interesses científicos-afinal, foram suas pesquisas acerca da visão e audição que o levaram a estudar de maneira mais aprofundada a luz e som (YOUNG, 1978, p.253). Esse aspecto de sua filosofia natural é melhor compreendido ao analisar seus artigos de óptica fisiológica. Dentre seus três primeiros artigos publicados nas Philosophical Transactions da Royal Society, dois tiveram como tema a fisiologia ocular, nos quais lidou com a acomodação ocular, aprimorou o aparelho oftalmológico conhecido como optômetro, descreveu pela primeira vez o astigmatismo, demonstrou novas construções de óptica geométrica e desenvolveu equações cuja forma moderna é utilizada até os dias atuais.

Essas contribuições oftalmológicas são pouco conhecidas e raramente mencionadas em livros e artigos de história da óptica, apesar de terem sido reconhecidas por importantes oftalmologistas no século 19, notavelmente Hermann Helmholtz (1821-1894) e Marius Tscherning (1854-1939). A literatura sobre Young em português é ainda mais restrita, pois apenas dois de seus artigos foram traduzidos por completo (MOURA, BOSS, 2015; COSTA, MOURA, 2021). Dessa maneira, a intenção do presente trabalho é discutir algumas das pouco conhecidas contribuições de Young para a ciência da visão, tendo como foco os dois artigos primariamente oftalmológicos publicados por Young nas Philosophical Transactions , 'Observations on Vision' (1793) e 'On the Mechanism of the Eye' (1801).

Em um contexto de ensino, conhecer esses aspectos do trabalho de Young pode contribuir para minimizar concepções distorcidas e superficiais sobre suas contribuições para a óptica. Isso pode ser útil principalmente para deixar claro o

caráter humano, com idas e vindas, erros e falhas, da construção do conhecimento científico.

## A óptica fisiológica de Thomas Young.

Young iniciou seus estudos médicos em Londres aos 19 anos de idade, no final de 1792. A influência de seu tio-avô Richard Brocklesby (1722-1797), do qual havia se aproximado após contrair tuberculose, ajuda a explicar essa escolha de carreira. Brocklesby era um médico reconhecido e bem-sucedido, com anos de prática médica na capital inglesa e um grande número de amizades na aristocracia britânica. O apoio financeiro e as conexões de seu tio-avô ofereciam grande oportunidade e promessa de estabilidade. Além disso, estudos clássicos e científicos eram vistos como necessários para a formação médica, permitindo que Young não deixasse de lado alguns de seus principais interesses desenvolvidos ao longo de seus anos formativos. Dessa maneira, inscreveu-se inicialmente em uma escola privada de anatomia na capital, onde assistiu aulas e leu algumas das principais publicações anatômicas disponíveis (PEACOCK, 1855, p. 32-47).

Durante esses estudos médicos, deparou-se com textos sobre a visão humana em um contexto anatômico e fisiológico, o que o levou a retornar sua atenção para a questões ópticas. Ao final do século 18, um dos principais problemas na óptica fisiológica era o processo conhecido como acomodação ocular. Era conhecido que o olho funcionava como aparato óptico, cujos componentes refratavam os raios luminosos incidentes de maneira a projetar uma imagem invertida na retina. Além disso, qualquer objeto cuja imagem se formasse antes ou atrás da retina seria visto sem clareza. Baseando-se nesse conhecimento, uma questão importante sobre o funcionamento da visão é levantada ao notar que um olho saudável é capaz de alterar seu foco para observar objetos em distâncias variáveis. Por exemplo, ao observar fixamente um ponto longínquo como uma parede distante, e em seguida interpor um livro ao campo de visão, um observador não será capaz de ler qualquer letra até que foque conscientemente sua visão ao livro. A explicação física e anatômica por trás de tal alteração de foco não era conhecida, e diversas teorias haviam sido propostas por anatomistas e filósofos naturais.

Após tomar conhecimento do problema da acomodação visual e familiarizarse com algumas das teorias anteriores, Young decidiu realizar sua própria dissecção de um olho de boi. Durante suas dissecções, realizou uma observação inesperada: ao analisar a lente cristalina, identificou a presença de fibras cujo arranjo parecia indicar uma muscularidade. Utilizando essa observação e outras considerações ópticas e anatômicas, formulou sua própria teoria para explicar o processo.

Entre os meses de setembro de 1792 e maio de 1793, escreveu então um breve artigo intitulado 'Observações sobre a Visão' (COSTA, MOURA, 2021). Ao início desse artigo, enumerou e contra-argumentou algumas das teorias acomodativas anteriores, as quais considerava incorretas ou incompletas. Em seguida, descreveu detalhadamente suas observações com o cristalino de boi, e propôs sua teoria baseada na muscularidade do cristalino: de acordo com essa teoria, as fibras musculares na lente se contrairiam de acordo com a vontade da mente. Young utilizou preceitos do cálculo fluxional para argumentar que tal contração das fibras necessariamente resultaria no aumento da esfericidade da lente, e em seguida utilizou

a óptica geométrica para demonstrar que tal mudança de esfericidade seria suficiente para alterar o foco da imagem na retina e permitir a observação de objetos próximos. Quando as fibras estivessem em estado de repouso, o olho estaria naturalmente disposto a observar objetos longínquos. Nota-se que a utilização de dados quantitativos na argumentação era incomum em teorias acomodativas, as quais eram majoritariamente qualitativas. Esse artigo foi lido na Royal Society por Brocklesby, e em seguida publicado nas Philosophical Transactions em 1793. Young foi eleito membro da sociedade em junho do ano seguinte.

Em 1794, deixou Londres para cursar medicina na Escócia, onde estavam as melhores universidades de medicina da Grã-Bretanha no período (COLLEY, 2003, p.123). Após um ano na Universidade de Edimburgo, completou outro ano de sua graduação na Universidade de Gottingen, onde publicou uma dissertação em latim acerca de tópicos médicos incluindo a voz humana e a visão. Em seguida, ingressou na Universidade de Cambridge, onde estudou até o final do século. Nesse intervalo, alguns novos artigos sobre acomodação haviam sido publicados, entre eles os de Everard Home (1756-1832) que questionavam aspectos importantes do artigo de Young, convencendo-o a retratar sua opinião anterior acerca da muscularidade do cristalino.

## Sobre o mecanismo do olho (1801).

Em 1800, Young leu uma redação de William Porterfield (1696-1771) intitulada 'On the Internal Changes of the Eye', e decidiu resumir seus estudos sobre a visão (YOUNG, 1804, p.198). Como resultado, publicou seu terceiro artigo nas Philosophical Transactions , sob o título de 'On the Mechanism of the Eye' (1801), onde se encontram suas principais contribuições para a óptica fisiológica. Esse longo artigo foi estruturado em partes: no início, encontram-se considerações gerais sobre o sentido da visão; em seguida, proposições dióptricas, uma descrição do optômetro, a medição das dimensões e poderes refrativos do olho, da forma e magnitude da imagem retinal; e por último uma discussão sobre a acomodação visual, onde demonstrou conclusivamente que a acomodação era resultado da mudança de forma do cristalino.

Ao longo do artigo, fez uso frequente dos resultados estabelecidos na seção de proposições ópticas. Nessa seção, encontram-se 8 proposições e seus respectivos corolários, incluindo algumas contribuições originais de Young. Uma das principais é a proposição VIII, onde introduziu uma fórmula algébrica para encontrar o foco mais próximo de raios luminosos incidentes em uma esfera de densidade variável. No período em que escrevia, era conhecido que a lente cristalina não possuía uma densidade uniforme, circunstância que impactava o cálculo do índice refrativo. Em textos de óptica geométrica lidos por Young, as relações geométricas estabelecidas para obter o foco das lentes assumiam, em geral, uma lente ideal com índice refrativo constante. Para lidar com essa questão, Young viu a necessidade de estabelecer uma relação mais geral, assumindo uma densidade que variava inversamente com a distância do centro. Para derivar esse resultado, ele considerou que a refração era consequência de uma força refrativa agindo sobre o raio luminoso, e então utilizou uma proposição do Principia (1687, 1ª edição) de Isaac Newton (1642-1727) sobre forças centrais, encontrando expressões que especificavam o caminho seguido pelo

raio, como desejado. 1 Em outra proposição, demonstrou como encontrar geometricamente o foco de um raio luminoso incidente obliquamente em uma superfície esférica.

Em geral, todas as proposições apresentadas por Young lidaram com refrações e o problema de encontrar o foco dos raios luminosos. A maioria das demonstrações foram omitidas nesse artigo, e adicionadas apenas em sua publicação posterior ' A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts ' (YOUNG, 1807). Young obteve seus resultados por meio de métodos geométricos, mas foi um dos primeiros a apresentar relações ópticas de maneira algébrica (ATCHISON e CHARMAN, 2011, p. 335).

Após estabelecer as proposições ópticas relevantes para seu artigo, Young descreveu a construção de um aparelho conhecido como optômetro. Esse aparelho havia sido uma invenção de Porterfield, baseado em uma observação de Christoph Scheiner (1575-1650) no século anterior. Scheiner percebeu que, ao observar um objeto por meio de dois furos em um cartão, uma imagem duplicada era vista a menos que o objeto estivesse em foco (LAND, 2014). O optômetro de Porterfield utilizava esse princípio para encontrar a distância focal do olho, local onde a imagem seria única.

Na versão alterada por Young, um visor mostrava duas linhas paralelas, que eram percebidas pelo paciente como cruzando-se em um ponto específico, o ponto de visão perfeita. Com o auxílio de uma escala acoplada ao aparelho, ajustada manualmente, obtinha-se diretamente a medida da distância focal do olho. Essa medição era subjetiva, dependendo da autodescrição do paciente, o que gerava um certo grau de imprecisão. Contudo, Young afirmou que a precisão de seu optômetro era suficiente para efetuar prescrições de óculos de grau para olhos com miopia ou presbiopia. A facilidade de medição proporcionada pela escala, que removia a necessidade de efetuar qualquer cálculo, foi uma inovação em comparação ao optômetro de Porterfield.

Fig. 1: O optômetro de Young. Fonte: On the Mechanism of the Eye, Plate III, Fig. 7.

<!-- image -->

Durante essa discussão sobre óculos, Young mencionou também que alguns pacientes precisavam segurar suas lentes obliquamente para enxergar com clareza, e explicou que isso era decorrência de uma assimetria entre o poder refrativo do olho, que seria mais forte em uma direção específica. De acordo com Helmholtz (1925), essa foi a primeira menção da condição hoje conhecida como astigmatismo. Dois raios luminosos infinitamente próximos incidentes em um olho astigmático não se cruzam em um único ponto após a refração, mas sim em duas linhas focais em planos diferentes (KINGSLAKE, 1994). Em uma das proposições ópticas, Young derivou fórmulas algébricas para encontrar o foco de um olho astigmático, encontrando expressões equivalentes às chamadas 'equações de Coddington' utilizadas nos dias atuais (SASIAN, 2012, p.5). O problema relacionado de encontrar o foco de raios luminosos incidentes obliquamente em superfícies esféricas havia sido abordado previamente por Newton e Isaac Barrow (1630-1677) (KINGSLAKE, 1994; ATCHISON, CHARMAN, 2011, p. 336). Evitando o uso de fórmulas, o optômetro de Young também poderia ser utilizado para medir experimentalmente as distâncias focais tanto no plano vertical quanto horizontal (PEACOCK, 1855, p. 133).

Young em seguida voltou novamente sua atenção ao problema da acomodação, continuando as pesquisas que havia iniciado em 1793. Para decidir qual alteração ocorria no olho, idealizou e realizou uma série de experimentos. Em um desses experimentos, percebeu que a imagem refletida na córnea não modificava seu tamanho durante a acomodação, algo que deveria ocorrer caso alterações na convexidade da córnea fossem responsáveis pelo processo. A imersão do olho na água também não impedia acomodação, levando-o a concluir que a acomodação não dependia da curvatura da córnea. Descartou também mudanças no tamanho do globo ocular, pois ao fisicamente prevenir tal possibilidade, observou que a acomodação ainda era possível. A realização desses experimentos foi uma grande inovação para o estudo da acomodação, pois os estudos anteriores careciam quase completamente de experimentação.

Com a intenção de remover a principal objeção de sua teoria acomodativa, utilizou o optômetro em diversos pacientes e confirmou a contestada observação de Porterfield de que a acomodação era impossível sem a presença cristalino.

Novamente com o auxílio do optômetro, apresentou experimentos e demonstração matemática para argumentar que ocorria uma alteração de forma do cristalino, e encontrou qual era a forma da lente acomodada. Nesse artigo, Young não buscou demonstrar conclusivamente uma muscularidade da lente, pois haviam algumas objeções importantes para essa opinião, como a falta de uma conexão identificável entre a lente e os nervos externos. Ao contrário, corrigiu sua afirmação equivocada de 1793 onde atribuía uma muscularidade às fibras da lente. De um ponto de vista atual, Young estava correto em atribuir a acomodação a uma mudança no cristalino, e coube a Helmholtz, décadas depois, demonstrar a maneira exata com que essa mudança era efetuada pela musculatura de uma estrutura adjacente conhecida como processos ciliares.

As conclusões de Young acerca da acomodação foram apoiadas por filósofos naturais contemporâneos como John Herschel (1792-1871) e François Arago (17861853), e, segundo Helmholtz, esse artigo tinha o necessário para resolver a questão. Contudo, o estilo de Young era lacônico e utilizava matemática em abundância, e várias conclusões dependiam do uso do optômetro, um aparato de difícil compreensão. Por esses motivos, parte das contribuições de Young tiveram apenas reconhecimento posterior (PEACOCK, 1855, p.41-134; HELMHOLTZ, 1925, p.167).

## Conclusão.

Neste trabalho, discutimos brevemente sobre dois artigos de Young que abordam assuntos relacionados ao funcionamento do olho e o mecanismo da visão. Esses dois textos mostram que Young não se dedicou apenas à elaboração de uma teoria vibracional para a luz, mas também a questões de cunho médico. Baseando-se no conhecimento da época, ele propôs teorias que buscaram ampliar o entendimento sobre os diversos mecanismos da visão, especialmente os relacionados à acomodação visual.

Este é um trabalho fruto de uma pesquisa de Iniciação Científica em andamento. Acreditamos que a análise desses outros elementos da óptica de Young apresentada neste trabalho oferece bons elementos para ir além de uma discussão superficial de suas contribuições à área em cursos de formação de professores, tanto em disciplinas com caráter mais histórico e filosófico, como Evolução dos Conceitos da Física, História da Ciência, quanto em disciplinas de prática de ensino e metodologia, e em aulas de física no ensino médio, respeitando algumas limitações. Embora não tenha sido o foco dessa discussão a efetiva apresentação de como esse estudo pode ser incorporado em situações de ensino, acreditamos que estamos dando os primeiros passos para isso, ampliando o conhecimento sobre esses outros aspectos do trabalho de Young. Em comunicações futuras, esse aspecto será aprofundado.

## Agradecimentos

Agradecemos o apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (processo n 2021/07238-9) para a realização desse trabalho. °

## Referências

ATCHISON, D.A.; CHARMAN, W.N. Thomas Young's contributions to geometrical optics. Clinical and Experimental Optometry , v. 94, n. 4, p. 333-340, 2011.

COLLEY, L. Britons : Forging the Nation 1707-1837. London: Pimlico, 2003.

COSTA, J.B.A.; MOURA, B.A. Os estudos de Thomas Young sobre a acomodação ocular: análise do episódio e tradução comentada do texto 'Observations on vision' (1793). Ensino e Multidisciplinaridade , v.7, n.1, p. 1-21, 2021.

HELMHOLTZ, H. Treatise on Physiological Optics, Translated from the Third German Edition . New York: Published by The Optical Society of America, 1925. KINGSLAKE, R. Who Discovered Coddington's Equations?. Optics and Photonics News, v.5, n.8, p.20-23, 1994.

MICHAEL, L. Focusing by shape change in the lens of the eye: a commentary on Young (1801) 'On the mechanism of the eye'. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences , London, v.370, n.1666, p.1-6, 2015.

MOURA, B.A.; BOSS, S.L.B. Thomas Young e o resgate da teoria ondulatória da luz: uma tradução comentada de sua Teoria sobre Luz e Cores. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 37, n. 4, 4203, 2015.

PEACOCK, G. Life of Thomas Young . London: John Murray, 1855.

SASIAN, J.M. Introduction to Aberrations in Optical Imaging Systems . New York: Cambridge University Press, 2013.

YOUNG, T. Observations on Vision. Philosophical Transactions of the Royal Society , London, v. 83, p. 169-181, 1793.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. The Bakerian Lecture: On the Mechanism of the Eye. Philosophical Transactions of the Royal Society , London, v. 91, p. 23-88, 1801.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. The Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours. Philosophical Transactions of the Royal Society , London, v.92, p. 12-48, 1802.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. A Reply to the Animadversions of the Edinburgh Reviewers . London: Printed by Savage and Easingwood, 1804.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. A course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts . v. II. London: Printed for Joseph Johnson, 1807.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. Autobiographical Sketch. In: HILTS, V.L. Thomas Young's 'Autobiographical Sketch'. Proceedings of the American Philosophical Society , v. 122, n. 4, p. 248-260, 1978.