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Velocidade da luz

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Velocidade da luz no vácuo
A distância do Sol à Terra é mostrada como 150 milhões de quilômetros, uma média aproximada. Tamanhos em escala.
Devido à sua velocidade finita, a luz solar leva de 8 minutos e 10 a 27 segundos para chegar à Terra, dependendo da época do ano.[1]
Valor exato
metros por segundo Predefinição:Physconst
Valores aproximados (com três algarismos significativos)
quilômetros por hora 1080000000
milhas por segundo 186000
milhas por hora[2] 671000000
unidades astronômicas por dia 173[Nota 1]
parsecs por ano 0.307[Nota 2]
Tempos de viagem aproximados de sinais luminosos
Distância Tempo
um pé 1.0 ns
um metro 3,3 ns
da órbita geoestacionária à Terra 119 ms
o comprimento do equador da Terra 134 ms
da Lua à Terra 1,3 s
do Sol à Terra (1 UA) 8,3 min
um ano-luz 1,0 ano
um parsec 3,26 anos
da estrela mais próxima ao Sol (1,3 pc) 4,2 anos
da galáxia mais próxima à Terra 70,000 anos
através da Via Láctea 87,400 anos
da Galáxia de Andrômeda à Terra 2,5 milhões de anos

A velocidade da luz é a velocidade das ondas eletromagnéticas. A luz viaja a velocidades menores dentro de materiais como vidro ou água; sua velocidade máxima é no vácuo. A velocidade da luz no vácuo é uma constante física universal denotada por c (nos padrões ISO e IEC [3]), exatamente igual a Predefinição:Physconst. É exata porque, por acordo internacional, um metro é definido como o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1⁄299792458 de segundo. O valor 299 792 458 metros por segundoé aproximadamente1 bilhão quilômetros por hora; 700 milhão milhas por hora. Para outras aproximações de c, válidas para várias unidades e escalas de tamanho, veja a infobox. A forma abreviada, velocidade da luz, significa velocidade da luz no vácuo em qualquer contexto onde o vácuo esteja implícito.[3]

Todas as formas de radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, viajam no vácuo à velocidade c, assim como partículas sem massa e perturbações de campo, como as ondas gravitacionais. A velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores, independentemente de sua velocidade relativa. Como resultado, partículas sem massa e ondas viajam a c no vácuo, independentemente do movimento da fonte ou do referencial inercial do observador. A velocidade da luz no vácuo é o limite superior para a velocidade com que informação, matéria ou energia podem viajar através do espaço.[4][5][6] Partículas com massa de repouso diferente de zero podem ser aceleradas para se aproximarem de c, mas nunca podem alcançá-la, independentemente do referencial no qual sua velocidade é medida.

Para longas distâncias e medições sensíveis, a velocidade finita da luz tem efeitos perceptíveis. Grande parte da luz estelar vista na Terra vem do passado distante, permitindo que os humanos estudem a história do universo observando objetos distantes. Ao se comunicar com sondas espaciais distantes, pode levar horas para que os sinais viajem. Na computação, a velocidade da luz determina o atraso mínimo absoluto de comunicação. A velocidade da luz no vácuo pode ser usada em medições de tempo de voo para medir grandes distâncias com altíssima precisão.

A velocidade com que a luz se propaga através de materiais transparentes, como vidro ou ar, é menor que c; da mesma forma, a velocidade das ondas eletromagnéticas em cabos de fio (a velocidade da eletricidade) é mais lenta que c. A razão entre c e a velocidade v com que a luz viaja em um material é chamada de índice de refração n do material (n = ⁠c/v⁠). Por exemplo, para a luz visível, o índice de refração do vidro é tipicamente em torno de 1,5, o que significa que a luz no vidro viaja a ⁠c/1,5⁠ ≈ 200000 km/s (124000 mi/s); o índice de refração do ar para luz visível é de cerca de 1,0003, então a velocidade da luz no ar é cerca de 90 km/s (56 mi/s) mais lenta que c.

No contexto da relatividade, a velocidade luminal pode ser usada.[3] Em alguns casos, objetos ou ondas podem parecer viajar mais rápido que a luz, também chamado de velocidade superluminal. Cálculos simplistas da velocidade de galáxias distantes devido à expansão do universo parecem exceder a velocidade da luz, mas apenas a velocidade local pode ser definida de forma única. Ole Rømer primeiro demonstrou que a luz não viaja instantaneamente ao estudar o movimento aparente da lua Io de Júpiter. Em um artigo, Uma Teoria Dinâmica do Campo Eletromagnético, de 1865, James Clerk Maxwell propôs que a luz era uma onda eletromagnética e, portanto, viajava à velocidade c.[7] Albert Einstein postulou que a velocidade da luz c em relação a qualquer referencial inercial é constante e independente do movimento da fonte de luz.[8] Ele explorou as consequências desse postulado ao derivar a teoria da relatividade e, assim, mostrou que o parâmetro c tinha relevância fora do contexto da luz e do eletromagnetismo. Na teoria da relatividade, c inter-relaciona espaço e tempo e aparece na famosa equivalência massa-energia, E = mc2.[9]

Notação

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A velocidade da luz no vácuo é geralmente denotada por um c minúsculo. A origem da escolha da letra é incerta, com suposições incluindo "c" para "constante" ou o latim celeritas (significando 'rapidez, celeridade').[10] O "c" foi usado para "celeridade" significando uma velocidade em livros de Leonhard Euler e outros, mas essa velocidade não era especificamente para a luz; Isaac Asimov escreveu um artigo de ciência popular, "C for Celeritas", mas não explicou a origem.[11] Em 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usaram c para uma constante diferente que mais tarde se mostrou igual a √2 vezes a velocidade da luz no vácuo. Historicamente, o símbolo V foi usado como um símbolo alternativo para a velocidade da luz, introduzido por James Clerk Maxwell em 1865. Em 1903, Max Abraham usou c com seu significado moderno em um livro-texto amplamente lido sobre eletromagnetismo. Einstein usou V em seus artigos originais em alemão sobre relatividade especial em 1905, mas em 1907 ele mudou para c, que já se tornara o símbolo padrão para a velocidade da luz.[12][10]

Às vezes, c é usado para a velocidade das ondas em qualquer meio material, e c0 para a velocidade da luz no vácuo.[13]

Em sistemas de unidades

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Predefinição:Further information A constante c é definida no Sistema Internacional de Unidades (SI) como exatamente 299792458 m/s. Esse valor fixo é usado para definir o metro como exatamente a distância que a luz percorre no vácuo em 1⁄299792458 de segundo. O segundo, por sua vez, é definido como a duração de 9192631770 ciclos da radiação emitida por um átomo de césio-133 em uma transição entre dois estados de energia especificados.[14] Ao usar o valor fixo de c e uma medição precisa do segundo, o valor para o metro padrão é definido.[15]

Antes de 1983, o metro era definido separadamente do segundo e a velocidade da luz era medida experimentalmente. O valor particular adotado para a velocidade fixa da luz no sistema de unidades atual foi escolhido para concordar com as melhores medições disponíveis antes de 1983.[14][16] A definição atual do segundo foi adotada em 1967.

Como uma constante física dimensional, o valor numérico de c é diferente para diferentes sistemas de unidades. Por exemplo, em unidades imperiais, a velocidade da luz é de aproximadamente 186,282 milhas por segundo. Este valor é menos de 2% diferente de 1 bilhão de pés por segundo ou um pé por nanossegundo.[17] O oficial da Marinha e cientista da computação Grace Murray Hopper distribuiu fios de um pé de comprimento para colegas no final dos anos 1960 para ilustrar visualmente a importância de projetar componentes menores para aumentar a velocidade da computação.[18]

Em ramos da física em que c aparece com frequência, como na relatividade, é comum usar sistemas de unidades naturais de medida ou o sistema de unidades geometrizadas onde c = 1.[19][20] Usando essas unidades, c não aparece explicitamente porque multiplicar ou dividir por 1 não afeta o resultado. Sua unidade de segundo-luz por segundo ainda é relevante, mesmo se omitida.

Papel fundamental na física

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A velocidade com que as ondas luminosas se propagam no vácuo é independente tanto do movimento da fonte da onda quanto do referencial inercial do observador. Essa invariância da velocidade da luz foi postulada por Einstein em 1905,[8] após ser motivado pela teoria do eletromagnetismo de Maxwell e pela falta de evidências de movimento contra o éter luminífero.[21] Experimentos como o experimento de Kennedy-Thorndike e o experimento de Ives-Stilwell mostraram que este postulado corresponde às observações experimentais.[22]

A teoria da relatividade restrita explora as consequências dessa invariância de c com a suposição de que as leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais.[23][24] Uma consequência é que c é a velocidade com que todas as partículas e ondas sem massa, incluindo a luz, devem viajar no vácuo.[25]

γ começa em 1 quando v é igual a zero e permanece quase constante para pequenos v, então curva-se acentuadamente para cima e tem uma assíntota vertical, divergindo para o infinito positivo à medida que v se aproxima de c.
O fator de Lorentz γ em função da velocidade. Ele começa em 1 e se aproxima do infinito à medida que v se aproxima de c.

A relatividade especial tem muitas implicações contra-intuitivas e verificadas experimentalmente.[26] Estas incluem a equivalência de massa e energia (E = mc2), contração do comprimento (objetos em movimento encurtam), rotação de Terrell (rotação aparente),[27][28] e dilatação do tempo (relógios em movimento funcionam mais lentamente). O fator γ pelo qual os comprimentos contraem e os tempos dilatam é conhecido como fator de Lorentz e é dado por γ = (1 − v2/c2)−1/2, onde v é a velocidade do objeto. A diferença de γ de 1 é desprezível para velocidades muito menores que c, como a maioria das velocidades do dia a dia – caso em que a relatividade especial é bem aproximada pela relatividade galileana – mas aumenta em velocidades relativísticas e diverge para o infinito à medida que v se aproxima de c. Por exemplo, um fator de dilatação do tempo de γ = 2 ocorre a uma velocidade relativa de 86,6% da velocidade da luz (v = 0,866c). Da mesma forma, um fator de dilatação do tempo de γ = 10 ocorre a 99,5% da velocidade da luz (v = 0,995c).

Os resultados da relatividade especial podem ser resumidos tratando o espaço e o tempo como uma estrutura unificada conhecida como espaço-tempo (com c relacionando as unidades de espaço e tempo) e exigindo que as teorias físicas satisfaçam uma simetria especial chamada invariância de Lorentz, cuja formulação matemática contém o parâmetro c.[29] A invariância de Lorentz é uma suposição quase universal para teorias físicas modernas, como eletrodinâmica quântica, cromodinâmica quântica, o Modelo Padrão da física de partículas e a relatividade geral. Como tal, o parâmetro c é onipresente na física moderna, aparecendo em muitos contextos não relacionados à luz. Por exemplo, a relatividade geral prevê que c também é a velocidade da gravidade e das ondas gravitacionais,[30] e observações de ondas gravitacionais têm sido consistentes com essa previsão.[31] Em referenciais não inerciais (espaço-tempo gravitacionalmente curvo ou referenciais acelerados), a velocidade local da luz é constante e igual a c, mas a velocidade da luz pode diferir de c quando medida de um referencial remoto, dependendo de como as medições são extrapoladas para a região.[32]

Geralmente assume-se que constantes fundamentais como c têm o mesmo valor em todo o espaço-tempo, ou seja, não dependem da localização e não variam com o tempo. No entanto, foi sugerido em várias teorias que a velocidade da luz pode ter mudado ao longo do tempo.[33][34] Nenhuma evidência conclusiva para tais mudanças foi encontrada, mas elas permanecem objeto de pesquisa em curso.[35][36]

Geralmente assume-se que a velocidade bidirecional da luz é isotrópica, ou seja, tem o mesmo valor independentemente da direção em que é medida. Observações das emissões de níveis de energia nucleares em função da orientação dos núcleos emissores em um campo magnético (ver experimento de Hughes-Drever) e de ressonadores ópticos rotativos (ver Experimentos com ressonadores) impuseram limites rigorosos à possível anisotropia bidirecional.[37][38]

Limite superior de velocidades

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Um objeto com massa de repouso m e velocidade v em relação a um laboratório tem energia cinética (γ − 1)mc2 em relação a esse laboratório, onde γ é o fator de Lorentz definido acima. O fator γ se aproxima do infinito à medida que v se aproxima de c, e seria necessária uma quantidade infinita de energia para acelerar um objeto com massa até a velocidade da luz.[39]: A velocidade da luz é o limite superior para as velocidades de objetos com massa de repouso positiva. A análise de fótons individuais confirma que a informação não pode viajar mais rápido que a velocidade da luz.[40][41] Isso é estabelecido experimentalmente em muitos testes de energia e momento relativísticos.[42]

Três pares de eixos coordenados são representados com a mesma origem A; no referencial verde, o eixo x é horizontal e o eixo ct é vertical; no referencial vermelho, o eixo x′ é ligeiramente inclinado para cima, e o eixo ct′ ligeiramente inclinado para a direita, em relação aos eixos verdes; no referencial azul, o eixo x″ está um tanto inclinado para baixo, e o eixo ct″ um tanto inclinado para a esquerda, em relação aos eixos verdes. Um ponto B no eixo x verde, à esquerda de A, tem ct zero, ct′ positivo e ct″ negativo.
O evento A precede B no referencial vermelho, é simultâneo com B no referencial verde e segue B no referencial azul.

De modo mais geral, é impossível que sinais ou energia viajem mais rápido que c. Um argumento para isso é conhecido como causalidade. Se a distância espacial entre dois eventos A e B for maior que o intervalo de tempo entre eles multiplicado por c, então existem referenciais em que A precede B, outros em que B precede A e outros em que são simultâneos. Como resultado, se algo estivesse viajando mais rápido que c em relação a um referencial inercial, estaria viajando para trás no tempo em relação a outro referencial, e a causalidade seria violada.[43]:497[44][45] Em tal referencial, um "efeito" poderia ser observado antes de sua "causa". Tal violação da causalidade nunca foi registrada,[46] e levaria a paradoxos como o telefone anti-taquiônico.[47]

Em alguns tratamentos teóricos, o efeito Scharnhorst permite que sinais viajem mais rápido que c, por uma parte em 1036.[48] No entanto, outras abordagens para a mesma configuração física não mostram tal efeito.[49] e parece que as condições especiais em que esse efeito pode ocorrer impediriam seu uso para violar a causalidade.

Velocidade unidirecional da luz

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Só é possível verificar experimentalmente que a velocidade bidirecional da luz (por exemplo, de uma fonte a um espelho e de volta) é independente do referencial, porque é impossível medir a velocidade unidirecional da luz (por exemplo, de uma fonte a um detector distante) sem alguma convenção sobre como os relógios na fonte e no detector devem ser sincronizados. Ao adotar a sincronização de Einstein para os relógios, a velocidade unidirecional da luz torna-se igual à velocidade bidirecional da luz por definição.[50][46]

Observações e experimentos mais rápidos que a luz

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Existem situações em que pode parecer que matéria, energia ou um sinal portador de informação viaja a velocidades maiores que c, mas não viajam. Por exemplo, como é discutido na seção propagação da luz em um meio abaixo, muitas velocidades de onda podem exceder c. A velocidade de fase dos raios X através da maioria dos vidros pode rotineiramente exceder c,[51] mas a velocidade de fase não determina a velocidade com que as ondas transmitem informações.[52]

Se um feixe de laser é varrido rapidamente sobre um objeto distante, o ponto de luz pode se mover mais rápido que c, embora o movimento inicial do ponto seja atrasado devido ao tempo que a luz leva para chegar ao objeto distante à velocidade c. No entanto, as únicas entidades físicas que estão se movendo são o laser e sua luz emitida, que viaja à velocidade c do laser para as várias posições do ponto. Da mesma forma, uma sombra projetada em um objeto distante pode ser feita para se mover mais rápido que c, após um atraso no tempo.[53] Em nenhum dos casos matéria, energia ou informação viaja mais rápido que a luz.[54]

A taxa de variação da distância entre dois objetos em um referencial em relação ao qual ambos estão se movendo (sua velocidade de aproximação) pode ter um valor superior a c. No entanto, isso não representa a velocidade de um único objeto medida em um único referencial inercial.[54]

Certos efeitos quânticos parecem ser transmitidos instantaneamente e, portanto, mais rápido que c, como no paradoxo EPR. Um exemplo envolve os estados quânticos de duas partículas que podem ser emaranhadas. Até que uma das partículas seja observada, elas existem em uma superposição de dois estados quânticos. Se as partículas são separadas e o estado quântico de uma partícula é observado, o estado quântico da outra partícula é determinado instantaneamente. No entanto, é impossível controlar qual estado quântico a primeira partícula assumirá quando for observada, portanto, a informação não pode ser transmitida dessa maneira.[54][55]

Outro efeito quântico que prevê a ocorrência de velocidades mais rápidas que a luz é chamado de efeito Hartman: sob certas condições, o tempo necessário para uma partícula virtual tunelar através de uma barreira é constante, independentemente da espessura da barreira.[56][57] Isso poderia resultar em uma partícula virtual cruzando uma grande lacuna mais rápido que a luz. No entanto, nenhuma informação pode ser enviada usando esse efeito.[58]

O chamado movimento superluminal é visto em certos objetos astronômicos,[59] como os jatos relativísticos de radiogaláxias e quasares. No entanto, esses jatos não estão se movendo a velocidades superiores à velocidade da luz: o movimento superluminal aparente é um efeito de projeção causado por objetos se movendo perto da velocidade da luz e se aproximando da Terra em um pequeno ângulo em relação à linha de visão: como a luz emitida quando o jato estava mais longe levou mais tempo para chegar à Terra, o tempo entre duas observações sucessivas corresponde a um tempo maior entre os instantes em que os raios de luz foram emitidos.[60]

Um experimento de 2011 em que neutrinos foram observados viajando mais rápido que a luz acabou sendo devido a um erro experimental.[61][62]

Em modelos do universo em expansão, quanto mais longe as galáxias estão umas das outras, mais rápido elas se afastam. Por exemplo, inferimos que galáxias distantes da Terra estão se afastando da Terra com velocidades proporcionais às suas distâncias. Além de um limite chamado esfera de Hubble, a taxa na qual sua distância da Terra aumenta torna-se maior que a velocidade da luz.[63] Essas taxas de recessão, definidas como o aumento da distância própria por tempo cosmológico, não são velocidades no sentido relativístico. Velocidades de recessão cosmológica mais rápidas que a luz são apenas um artefato de coordenada.

Propagação da luz

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Na física clássica, a luz é descrita como um tipo de onda eletromagnética. O comportamento clássico do campo eletromagnético é descrito pelas equações de Maxwell, que prevêem que a velocidade c com que as ondas eletromagnéticas (como a luz) se propagam no vácuo está relacionada à capacitância e indutância distribuídas do vácuo, também conhecidas respectivamente como constante elétrica ε0 e constante magnética μ0, pela equação[64]

Na física quântica moderna, o campo eletromagnético é descrito pela teoria da eletrodinâmica quântica (QED). Nessa teoria, a luz é descrita pelas excitações fundamentais (ou quanta) do campo eletromagnético, chamadas de fótons. Na QED, os fótons são partículas sem massa e, portanto, de acordo com a relatividade especial, viajam à velocidade da luz no vácuo.[25]

Extensões da QED nas quais o fóton tem massa foram consideradas. Em tal teoria, sua velocidade dependeria de sua frequência, e a velocidade invariante c da relatividade especial seria então o limite superior da velocidade da luz no vácuo.[32] Nenhuma variação da velocidade da luz com a frequência foi observada em testes rigorosos, impondo limites rigorosos à massa do fóton.[65] O limite obtido depende do modelo usado: se o fóton massivo é descrito pela teoria de Proca,[66] o limite superior experimental para sua massa é de cerca de ×10−57 gramas;[67] se a massa do fóton é gerada por um mecanismo de Higgs, o limite superior experimental é menos restritivo, m ≤ 10−14 eV/c2 (aproximadamente 2×10−47 g).[66]

Outra razão para a velocidade da luz variar com sua frequência seria a falha da relatividade especial em se aplicar a escalas arbitrariamente pequenas, como previsto por algumas teorias propostas de gravidade quântica. Em 2009, a observação do burst de raios gama GRB 090510 não encontrou evidências de uma dependência da velocidade do fóton com a energia, apoiando restrições rigorosas em modelos específicos de quantização do espaço-tempo sobre como essa velocidade é afetada pela energia do fóton para energias próximas à escala de Planck.[68]

Em um meio

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Em um meio, a luz geralmente não se propaga a uma velocidade igual a c; além disso, diferentes tipos de ondas luminosas viajarão a velocidades diferentes. A velocidade com que as cristas e vales individuais de uma onda plana (uma onda que preenche todo o espaço, com apenas uma frequência) se propagam é chamada de velocidade de fase vp. Um sinal físico com extensão finita (um pulso de luz) viaja a uma velocidade diferente. O envelope geral do pulso viaja na velocidade de grupo vg, e sua parte mais inicial viaja na velocidade de frente vf.[69]

Uma onda modulada se move da esquerda para a direita. Há três pontos marcados com um ponto: Um ponto azul em um nó da onda portadora, um ponto verde no máximo do envelope e um ponto vermelho na frente do envelope.
O ponto azul se move à velocidade das ondulações, a velocidade de fase; o ponto verde se move com a velocidade do envelope, a velocidade de grupo; e o ponto vermelho se move com a velocidade da parte mais avançada do pulso, a velocidade de frente.

A velocidade de fase é importante para determinar como uma onda luminosa viaja através de um material ou de um material para outro. Muitas vezes é representada em termos de um índice de refração. O índice de refração de um material é definido como a razão entre c e a velocidade de fase vp no material: índices de refração maiores indicam velocidades menores. O índice de refração de um material pode depender da frequência, intensidade, polarização ou direção de propagação da luz; em muitos casos, porém, pode ser tratado como uma constante dependente do material. O índice de refração do ar é de aproximadamente 1,0003.[70] Meios mais densos, como água,[71] vidro,[72] e diamante,[73] têm índices de refração em torno de 1,3, 1,5 e 2,4, respectivamente, para luz visível.

Em materiais exóticos como condensados de Bose-Einstein próximos do zero absoluto, a velocidade efetiva da luz pode ser de apenas alguns metros por segundo. No entanto, isso representa atrasos de absorção e reemissão entre átomos, assim como todas as velocidades menores que c em substâncias materiais. Como um exemplo extremo de "desaceleração" da luz na matéria, duas equipes independentes de físicos afirmaram ter trazido a luz a uma "parada completa" ao passar por um condensado de Bose-Einstein do elemento rubídio. A descrição popular da luz sendo "parada" nesses experimentos refere-se apenas à luz sendo armazenada nos estados excitados dos átomos e depois reemitida em um momento arbitrariamente posterior, estimulada por um segundo pulso de laser. Durante o tempo em que "parou", ela deixou de ser luz. Esse tipo de comportamento é geralmente microscopicamente verdadeiro para todos os meios transparentes que "desaceleram" a velocidade da luz.[74]

Em materiais transparentes, o índice de refração geralmente é maior que 1, o que significa que a velocidade de fase é menor que c. Em outros materiais, é possível que o índice de refração se torne menor que 1 para algumas frequências; em alguns materiais exóticos é até possível que o índice de refração se torne negativo.[75] A exigência de que a causalidade não seja violada implica que as partes real e imaginária da constante dielétrica de qualquer material, correspondentes respectivamente ao índice de refração e ao coeficiente de atenuação, estão ligadas pelas relações de Kramers-Kronig.[76][77] Em termos práticos, isso significa que em um material com índice de refração menor que 1, a onda será absorvida rapidamente.[78]

Um pulso com diferentes velocidades de grupo e de fase (o que ocorre se a velocidade de fase não é a mesma para todas as frequências do pulso) se espalha ao longo do tempo, um processo conhecido como dispersão. Certos materiais têm uma velocidade de grupo excepcionalmente baixa (ou mesmo zero) para ondas luminosas, um fenômeno chamado luz lenta.[79] O oposto, velocidades de grupo excedendo c, foi proposto teoricamente em 1993 e alcançado experimentalmente em 2000.[80] Deve ser até possível que a velocidade de grupo se torne infinita ou negativa, com pulsos viajando instantaneamente ou para trás no tempo.[69]

Nenhuma dessas opções permite que informações sejam transmitidas mais rápido que c. É impossível transmitir informações com um pulso de luz mais rápido do que a velocidade da parte mais inicial do pulso (a velocidade de frente). Pode-se mostrar que isso é (sob certas suposições) sempre igual a c.[69]

É possível que uma partícula viaje através de um meio mais rápido do que a velocidade de fase da luz nesse meio (mas ainda mais lento que c). Quando uma partícula carregada faz isso em um material dielétrico, o equivalente eletromagnético de uma onda de choque, conhecido como radiação Cherenkov, é emitido.[81]

Efeitos práticos da finitude

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A velocidade da luz é relevante para as telecomunicações: o tempo de atraso de ida e volta é maior que zero. Isso se aplica de escalas pequenas a astronômicas. Por outro lado, algumas técnicas dependem da velocidade finita da luz, por exemplo, em medições de distância.

Pequenas escalas

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Em computadores, a velocidade da luz impõe um limite à rapidez com que os dados podem ser enviados entre processadores. Se um processador opera a 1 gigahertz, um sinal pode viajar apenas um máximo de cerca de 30 centimetros (1 ft) em um único ciclo de clock – na prática, essa distância é ainda menor, pois a placa de circuito impresso refrata e desacelera os sinais. Os processadores devem, portanto, ser colocados próximos uns dos outros, assim como os chips de memória, para minimizar as latências de comunicação, e deve-se ter cuidado ao rotear fios entre eles para garantir a integridade do sinal. Se as frequências de clock continuarem a aumentar, a velocidade da luz pode eventualmente se tornar um fator limitante para o projeto interno de chips individuais.[82][83]

Grandes distâncias na Terra

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Representação acústica da velocidade da luz: no período entre os bipes, a luz percorre a circunferência da Terra no equador.

Dado que a circunferência equatorial da Terra é de cerca de 40075 km e que c é de cerca de 300000 km/s, o tempo teórico mais curto para uma informação viajar metade do globo ao longo da superfície é de cerca de 67 milissegundos. Quando a luz está viajando em fibra óptica (um material transparente), o tempo de trânsito real é maior, em parte porque a velocidade da luz é cerca de 35% mais lenta na fibra óptica com um índice de refração n em torno de 1,52.[84] Linhas retas são raras nas comunicações globais e o tempo de viagem aumenta quando os sinais passam por comutadores eletrônicos ou regeneradores de sinal.[85]

Embora essa distância seja em grande parte irrelevante para a maioria das aplicações, a latência torna-se importante em áreas como negociação de alta frequência, onde os traders buscam obter vantagens mínimas ao entregar suas negociações às bolsas frações de segundo à frente de outros traders. Por exemplo, os traders têm mudado para comunicações por micro-ondas entre centros de negociação, devido à vantagem que as ondas de rádio viajando perto da velocidade da luz através do ar têm sobre os sinais de fibra óptica comparativamente mais lentos.[86][87]

Voos espaciais e astronomia

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O diâmetro da lua é cerca de um quarto do da Terra, e sua distância é cerca de trinta vezes o diâmetro da Terra. Um feixe de luz começa na Terra e atinge a Lua em cerca de um segundo e um quarto.
Um feixe de luz é representado viajando entre a Terra e a Lua no tempo que um pulso de luz leva para se mover entre elas: 1,255 segundos em sua distância orbital média (superfície a superfície). Os tamanhos relativos e a separação do sistema Terra-Lua são mostrados em escala.

Da mesma forma, as comunicações entre a Terra e as naves espaciais não são instantâneas. Há um breve atraso da fonte ao receptor, que se torna mais perceptível à medida que as distâncias aumentam. Esse atraso foi significativo para as comunicações entre o controle em terra e a Apollo 8 quando se tornou a primeira nave espacial tripulada a orbitar a Lua: para cada pergunta, a estação de controle em terra teve que esperar pelo menos três segundos para que a resposta chegasse.[88]

O atraso de comunicação entre a Terra e Marte pode variar entre cinco e vinte minutos, dependendo das posições relativas dos dois planetas. Como consequência disso, se um robô na superfície de Marte encontrasse um problema, seus controladores humanos não saberiam disso até aproximadamente 4–24 minutos depois. Em seguida, levaria mais 4–24 minutos para que os comandos viajassem da Terra para Marte.[89][90]

Receber luz e outros sinais de fontes astronômicas distantes leva muito mais tempo. Por exemplo, leva 13 bilhões (13×109) anos para a luz viajar para a Terra a partir das galáxias distantes vistas nas imagens do Hubble Ultra-Deep Field.[91][92] Essas fotografias, tiradas hoje, capturam imagens das galáxias como elas apareceram há 13 bilhões de anos, quando o universo tinha menos de um bilhão de anos.[91] O fato de que objetos mais distantes parecem ser mais jovens, devido à velocidade finita da luz, permite que os astrônomos infiram a evolução das estrelas, das galáxias e do próprio universo.[93]

As distâncias astronômicas às vezes são expressas em anos-luz, especialmente em publicações e meios de comunicação de ciência popular.[94] Um ano-luz é a distância que a luz viaja em um ano juliano, cerca de 9 461 bilhões de quilômetros, 5 879 bilhões de milhas ou 0,3066 parsecs. Em números redondos, um ano-luz é quase 10 trilhões de quilômetros ou quase 6 trilhões de milhas. A Proxima Centauri, a estrela mais próxima da Terra depois do Sol, está a cerca de 4,2 anos-luz de distância.[95]

Medição de distância

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Os sistemas de radar medem a distância até um alvo pelo tempo que um pulso de onda de rádio leva para retornar à antena do radar após ser refletido pelo alvo: a distância até o alvo é metade do tempo de trânsito de ida e volta multiplicado pela velocidade da luz. Um receptor do Sistema de Posicionamento Global (GPS) mede sua distância aos satélites GPS com base no tempo que um sinal de rádio leva para chegar de cada satélite, e a partir dessas distâncias calcula a posição do receptor. Como a luz viaja cerca de 300000 quilômetros (186000 milhas) em um segundo, essas medições de pequenas frações de segundo devem ser muito precisas. O Experimento de Alcance Laser Lunar, a astronomia por radar e a Deep Space Network determinam distâncias até a Lua,[96] planetas[97] e naves espaciais,[98] respectivamente, medindo os tempos de trânsito de ida e volta.

Determinação

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Existem diferentes maneiras de determinar o valor de c. Uma maneira é medir diretamente a velocidade com que as ondas luminosas se propagam, o que pode ser feito em várias configurações astronômicas e terrestres. Também é possível determinar c a partir de outras leis físicas onde ela aparece, por exemplo, determinando os valores das constantes eletromagnéticas ε0 e μ0 e usando sua relação com c. Historicamente, os resultados mais precisos foram obtidos determinando separadamente a frequência e o comprimento de onda de um feixe de luz, com seu produto igualando c. Isso é descrito em mais detalhes na seção "Interferometria" abaixo.

Em 1983, o metro foi definido como "o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1⁄299792458 de segundo",[99] fixando o valor da velocidade da luz em 299792458 m/s por definição, como descrito abaixo. Consequentemente, medições precisas da velocidade da luz produzem uma realização precisa do metro, em vez de um valor preciso de c.

Medições astronômicas

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Medição da velocidade da luz a partir do tempo que Io leva para orbitar Júpiter, usando eclipses de Io pela sombra de Júpiter para medir com precisão sua órbita.

O espaço sideral é um ambiente conveniente para medir a velocidade da luz devido à sua grande escala e ao vácuo quase perfeito. Normalmente, mede-se o tempo necessário para a luz atravessar alguma distância de referência no Sistema Solar, como o raio da órbita da Terra. Historicamente, tais medições podiam ser feitas com razoável precisão, em comparação com a precisão com que o comprimento da distância de referência é conhecido em unidades terrestres.

Ole Rømer usou uma medição astronômica para fazer a primeira estimativa quantitativa da velocidade da luz no ano de 1676.[100][101] Quando medidas da Terra, os períodos das luas orbitando um planeta distante são mais curtos quando a Terra está se aproximando do planeta do que quando a Terra está se afastando dele. A diferença é pequena, mas o tempo cumulativo torna-se significativo quando medido ao longo de meses. A distância percorrida pela luz do planeta (ou sua lua) até a Terra é menor quando a Terra está no ponto de sua órbita mais próximo do planeta do que quando a Terra está no ponto mais distante de sua órbita, sendo a diferença de distância o diâmetro da órbita da Terra em torno do Sol. A mudança observada no período orbital da lua é causada pela diferença no tempo que a luz leva para percorrer a distância mais curta ou mais longa. Rømer observou esse efeito para a lua principal mais interna de Júpiter, Io, e deduziu que a luz leva 22 minutos para atravessar o diâmetro da órbita da Terra.[100]

Uma estrela emite um raio de luz que atinge a objetiva de um telescópio. Enquanto a luz viaja pelo telescópio até a ocular, o telescópio se move para a direita. Para que a luz permaneça dentro do telescópio, o telescópio deve ser inclinado para a direita, fazendo com que a fonte distante pareça estar em um local diferente à direita.
Aberração da luz: a luz de uma fonte distante parece vir de um local diferente para um telescópio em movimento devido à velocidade finita da luz.

Outro método é usar a aberração da luz, descoberta e explicada por James Bradley no século XVIII.[102] Este efeito resulta da soma vetorial da velocidade da luz que chega de uma fonte distante (como uma estrela) e da velocidade de seu observador (veja o diagrama à direita). Um observador em movimento vê, portanto, a luz vindo de uma direção ligeiramente diferente e, consequentemente, vê a fonte em uma posição deslocada de sua posição original. Como a direção da velocidade da Terra muda continuamente à medida que a Terra orbita o Sol, esse efeito faz com que a posição aparente das estrelas se mova. A partir da diferença angular na posição das estrelas (maximamente 20,5 segundos de arco)[103] é possível expressar a velocidade da luz em termos da velocidade da Terra em torno do Sol, que com o comprimento conhecido de um ano pode ser convertida no tempo necessário para viajar do Sol à Terra. Em 1729, Bradley usou esse método para derivar que a luz viajava 10,210 vezes mais rápido que a Terra em sua órbita (o valor moderno é 10,066 vezes mais rápido) ou, equivalentemente, que levaria 8 minutos e 12 segundos para a luz viajar do Sol à Terra.[102]

  1. === Unidade astronômica ===#

Historicamente, a velocidade da luz foi usada juntamente com medições de tempo para determinar um valor para a unidade astronômica (UA).[104] A unidade astronômica foi redefinida em 2012 como exatamente 149597870700 m.[105][106] Esta redefinição é análoga à do metro e tem o efeito de fixar a velocidade da luz a um valor exato em unidades astronômicas por segundo (através da velocidade exata da luz em metros por segundo).[107]

Técnicas de tempo de voo

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Uma das últimas e mais precisas medições de tempo de voo, o experimento de Michelson, Pease e Pearson de 1930–1935 usou um espelho giratório e uma câmara de vácuo de uma milha (1,6 km) de comprimento que o feixe de luz atravessou 10 vezes. Alcançou precisão de ±11 km/s.
Um raio de luz passa horizontalmente por um semi-espelho e uma roda dentada giratória, é refletido de volta por um espelho, passa pela roda dentada e é refletido pelo semi-espelho para dentro de um monóculo.
Diagrama do aparato de Fizeau:
  1. Fonte de luz
  2. Espelho semi-transparente divisor de feixe
  3. Roda dentada quebra o feixe de luz
  4. Espelho remoto
  5. Tubo telescópico

Um método de medir a velocidade da luz é medir o tempo necessário para a luz viajar até um espelho a uma distância conhecida e voltar. Este é o princípio de funcionamento por trás dos experimentos de Hippolyte Fizeau e Léon Foucault.

A configuração usada por Fizeau consiste em um feixe de luz direcionado a um espelho a 8 quilômetros (5 mi) de distância. No caminho da fonte ao espelho, o feixe passa por uma roda dentada giratória. Em uma certa taxa de rotação, o feixe passa por uma abertura na ida e outra na volta, mas em taxas ligeiramente mais altas ou mais baixas, o feixe atinge um dente e não passa pela roda. Conhecendo a distância entre a roda e o espelho, o número de dentes na roda e a taxa de rotação, a velocidade da luz pode ser calculada.[108]

O método de Foucault substitui a roda dentada por um espelho giratório. Como o espelho continua girando enquanto a luz viaja até o espelho distante e volta, a luz é refletida pelo espelho giratório em um ângulo diferente na saída do que na volta. A partir dessa diferença de ângulo, da velocidade de rotação conhecida e da distância até o espelho distante, a velocidade da luz pode ser calculada.[109] Foucault usou este aparato para medir a velocidade da luz no ar versus na água, com base em uma sugestão de François Arago.[110]

Hoje, usando osciloscópios com resoluções de tempo inferiores a um nanossegundo, a velocidade da luz pode ser medida diretamente cronometrando o atraso de um pulso de luz de um laser ou LED refletido em um espelho. Este método é menos preciso (com erros da ordem de 1%) do que outras técnicas modernas, mas às vezes é usado como um experimento de laboratório em aulas de física de nível universitário.[111]

Constantes eletromagnéticas

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Uma opção para derivar c que não depende diretamente de uma medição da propagação de ondas eletromagnéticas é usar a relação entre c e a permissividade do vácuo ε0 e a permeabilidade do vácuo μ0 estabelecida pela teoria de Maxwell: c2 = 1/(ε0μ0). A permissividade do vácuo pode ser determinada medindo a capacitância e as dimensões de um capacitor, enquanto o valor da permeabilidade do vácuo foi historicamente fixado em exatamente 4π×10−7 H·m−1 através da definição do ampere. Rosa e Dorsey usaram este método em 1907 para encontrar um valor de 299710±22 km/s. Seu método dependia de ter uma unidade padrão de resistência elétrica, o "ohm internacional", e sua precisão era, portanto, limitada pela forma como esse padrão era definido.[112][113]

Ressonância de cavidade

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Uma caixa com três ondas dentro; há uma onda e meia no topo, uma no meio e meia na parte inferior.
Ondas estacionárias eletromagnéticas em uma cavidade

Outra maneira de medir a velocidade da luz é medir independentemente a frequência f e o comprimento de onda λ de uma onda eletromagnética no vácuo. O valor de c pode então ser encontrado usando a relação c = λf. Uma opção é medir a frequência de ressonância de um ressonador de cavidade. Se as dimensões da cavidade de ressonância também forem conhecidas, elas podem ser usadas para determinar o comprimento de onda da onda. Em 1946, Louis Essen e A. C. Gordon-Smith estabeleceram a frequência para uma variedade de modos normais de micro-ondas de uma cavidade de micro-ondas de dimensões precisamente conhecidas. As dimensões foram estabelecidas com uma precisão de cerca de ±0,8 μm usando medidores calibrados por interferometria.[112] Como o comprimento de onda dos modos era conhecido pela geometria da cavidade e pela teoria eletromagnética, o conhecimento das frequências associadas permitiu um cálculo da velocidade da luz.[112][114]

O resultado de Essen-Gordon-Smith, 299792±9 km/s, foi substancialmente mais preciso do que os encontrados por técnicas ópticas.[112] Em 1950, medições repetidas de Essen estabeleceram um resultado de 299792,5±3,0 km/s.[115]

Uma demonstração doméstica desta técnica é possível, usando um forno de micro-ondas e alimentos como marshmallows ou margarina: se o prato giratório for removido para que o alimento não se mova, ele cozinhará mais rápido nos antinodos (os pontos onde a amplitude da onda é maior), onde começará a derreter. A distância entre dois desses pontos é metade do comprimento de onda das micro-ondas; medindo essa distância e multiplicando o comprimento de onda pela frequência das micro-ondas (geralmente exibida na parte traseira do forno, tipicamente 2450 MHz), o valor de c pode ser calculado, "frequentemente com menos de 5% de erro".[116][117]

Interferometria

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Esquema do funcionamento de um interferômetro de Michelson.
Uma determinação interferométrica de comprimento. Esquerda: interferência construtiva; Direita: interferência destrutiva.

A interferometria é outro método para encontrar o comprimento de onda da radiação eletromagnética para determinar a velocidade da luz.[118] Um feixe de luz coerente (por exemplo, de um laser), com uma frequência conhecida f, é dividido para seguir dois caminhos e depois recombinado. Ajustando o comprimento do caminho enquanto observa o padrão de interferência e medindo cuidadosamente a mudança no comprimento do caminho, o comprimento de onda da luz λ pode ser determinado. A velocidade da luz é então calculada usando a equação c = λf.

Antes do advento da tecnologia laser, fontes de rádio coerentes foram usadas para medições interferométricas da velocidade da luz.[119] A determinação interferométrica do comprimento de onda torna-se menos precisa com o comprimento de onda e os experimentos foram, portanto, limitados em precisão pelo longo comprimento de onda (~4 mm [0,16 in]) das ondas de rádio. A precisão pode ser melhorada usando luz com um comprimento de onda mais curto, mas então torna-se difícil medir diretamente a frequência da luz.[120]

Uma maneira de contornar esse problema é começar com um sinal de baixa frequência cuja frequência pode ser medida com precisão e, a partir desse sinal, sintetizar progressivamente sinais de frequência mais alta cuja frequência pode então ser vinculada ao sinal original. Um laser pode então ser travado na frequência, e seu comprimento de onda pode ser determinado usando interferometria.[120] Esta técnica foi desenvolvida por um grupo do National Bureau of Standards (que mais tarde se tornou o National Institute of Standards and Technology). Eles a usaram em 1972 para medir a velocidade da luz no vácuo com uma incerteza fracionária de 3,5×10−9.[120][121]

História

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Até o início do período moderno, não se sabia se a luz viajava instantaneamente ou a uma velocidade finita muito rápida. O primeiro exame registrado existente sobre este assunto foi na Grécia antiga. Os gregos antigos, os estudiosos árabes e os cientistas europeus clássicos debateram longamente este tema até que Rømer forneceu o primeiro cálculo da velocidade da luz. A teoria da relatividade especial de Einstein postula que a velocidade da luz é constante independentemente do referencial de alguém. Desde então, os cientistas forneceram medições cada vez mais precisas.

História das medições de c (em m/s)
Ano Experimento Valor Desvio do valor de 1983
<1638 Galileu, lanternas cobertas inconclusivo[122][123][124]:1252
<1667 Accademia del Cimento, lanternas cobertas inconclusivo[124]:1253[125]
1675 Rømer e Huygens, luas de Júpiter 220000000[101][126] −27%
1729 James Bradley, aberração da luz 301000000[108] +0,40%
1849 Hippolyte Fizeau, roda dentada 315000000[108] +5,1%
1862 Léon Foucault, espelho giratório 298000000±500000[108] −0,60%
1875 Werner Siemens 260 000 000[127] −13,3%
1893 Heinrich Hertz 200 000 000[128] −33,3%
1907 Rosa e Dorsey, constantes EM 299710000±30000[112][113] −280 ppm
1926 Albert A. Michelson, espelho giratório 299796000±4000[129] +12 ppm
1950 Essen e Gordon-Smith, ressonador de cavidade 299792500±3000[115] +0,14 ppm
1958 K. D. Froome, radiointerferometria 299792500±100[119] +0,14 ppm
1972 Evenson et al., interferometria a laser 299792456,2±1,1[121] −0,006 ppm
1983 17ª CGPM, definição do metro 299792458 (exato)[99]—

História inicial

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Empédocles (c. 490–430 a.C.) foi o primeiro a propor uma teoria da luz[130] e afirmou que a luz tem uma velocidade finita.[131] Ele sustentou que a luz era algo em movimento e, portanto, levaria algum tempo para viajar. Aristóteles argumentou, ao contrário, que "a luz se deve à presença de algo, mas não é um movimento".[132] Euclides e Ptolomeu avançaram a teoria da emissão da visão de Empédocles, onde a luz é emitida pelo olho, permitindo assim a visão. Com base nessa teoria, Heron de Alexandria argumentou que a velocidade da luz deve ser infinita porque objetos distantes como estrelas aparecem imediatamente ao abrir os olhos.[133]

Os filósofos islâmicos primitivos inicialmente concordaram com a visão aristotélica de que a luz não tinha velocidade de deslocamento. Em 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicou o Livro da Óptica, no qual apresentou uma série de argumentos descartando a teoria da emissão da visão em favor da teoria da intromissão agora aceita, na qual a luz se move de um objeto para o olho.[134] Isso levou Alhazen a propor que a luz deve ter uma velocidade finita,[132][135][136] e que a velocidade da luz é variável, diminuindo em corpos mais densos.[136][137] Ele argumentou que a luz é matéria substancial, cuja propagação requer tempo, mesmo que isso esteja oculto aos sentidos.[138] Também no século XI, Abū Rayhān al-Bīrūnī concordou que a luz tem uma velocidade finita e observou que a velocidade da luz é muito mais rápida que a velocidade do som.[139]

No século XIII, Roger Bacon argumentou que a velocidade da luz no ar não era infinita, usando argumentos filosóficos apoiados pelos escritos de Alhazen e Aristóteles.[140][141] Na década de 1270, Witelo considerou a possibilidade de a luz viajar a uma velocidade infinita no vácuo, mas desacelerar em corpos mais densos.[142]

No início do século XVII, Johannes Kepler acreditava que a velocidade da luz era infinita, pois o espaço vazio não apresenta obstáculo a ela. René Descartes argumentou que, se a velocidade da luz fosse finita, o Sol, a Terra e a Lua estariam visivelmente desalinhados durante um eclipse lunar. Embora este argumento falhe quando a aberração da luz é levada em conta, esta última não foi reconhecida até o século seguinte.[143] Como tal desalinhamento não havia sido observado, Descartes concluiu que a velocidade da luz era infinita. Descartes especulou que, se a velocidade da luz fosse finita, todo o seu sistema de filosofia poderia ser demolido.[132] Apesar disso, em sua derivação da lei de Snell, Descartes assumiu que algum tipo de movimento associado à luz era mais rápido em meios mais densos.[144][145] Pierre de Fermat derivou a lei de Snell usando a suposição oposta, quanto mais denso o meio, mais lenta a luz viajava. Fermat também argumentou em favor de uma velocidade finita da luz.[146]

Primeiras tentativas de medição

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Em 1629, Isaac Beeckman propôs um experimento no qual uma pessoa observa o clarão de um canhão refletido em um espelho a cerca de uma milha (1,6 km) de distância. Em 1638, Galileo Galilei propôs um experimento, com uma aparente alegação de tê-lo realizado alguns anos antes, para medir a velocidade da luz observando o atraso entre descobrir uma lanterna e sua percepção a alguma distância. Ele não conseguiu distinguir se a viagem da luz era instantânea ou não, mas concluiu que, se não fosse, ela deveria ser extraordinariamente rápida.[122][123] De acordo com Galileu, as lanternas que ele usou estavam "a uma curta distância, menos de uma milha". Assumindo que a distância não era muito menor que uma milha, e que "cerca de um trinta avos de segundo é o intervalo de tempo mínimo distinguível a olho nu", Boyer observa que o experimento de Galileu poderia, na melhor das hipóteses, ter estabelecido um limite inferior de cerca de 60 milhas por segundo para a velocidade da luz.[123] Em 1667, a Accademia del Cimento de Florença relatou que havia realizado o experimento de Galileu, com as lanternas separadas por cerca de uma milha, mas nenhum atraso foi observado.[147] O atraso real neste experimento teria sido de cerca de 11 microssegundos.

Um diagrama da órbita de um planeta em torno do Sol e da órbita de uma lua em torno de outro planeta. A sombra deste último planeta está sombreada.
Observações de Rømer das ocultações de Io da Terra

A primeira estimativa quantitativa da velocidade da luz foi feita em 1676 por Ole Rømer.[100][101] A partir da observação de que os períodos da lua mais interna de Júpiter, Io, pareciam ser mais curtos quando a Terra se aproximava de Júpiter do que quando se afastava dele, ele concluiu que a luz viaja a uma velocidade finita e estimou que a luz leva 22 minutos para atravessar o diâmetro da órbita da Terra. Christiaan Huygens combinou essa estimativa com uma estimativa para o diâmetro da órbita da Terra para obter uma estimativa da velocidade da luz de 220000 km/s, que é 27% menor que o valor real.[126]

Em seu livro de 1704, Opticks, Isaac Newton relatou os cálculos de Rømer sobre a velocidade finita da luz e deu um valor de "sete ou oito minutos" para o tempo gasto pela luz para viajar do Sol à Terra (o valor moderno é 8 minutos e 19 segundos).[148] Newton questionou se as sombras de eclipse de Rømer eram coloridas. Ouvindo que não eram, ele concluiu que as diferentes cores viajavam na mesma velocidade. Em 1729, James Bradley descobriu a aberração estelar.[102] A partir desse efeito, ele determinou que a luz deve viajar 10 210 vezes mais rápido que a Terra em sua órbita (o valor moderno é 10 066 vezes mais rápido) ou, equivalentemente, que levaria 8 minutos e 12 segundos para a luz viajar do Sol à Terra.[102]

Conexões com o eletromagnetismo

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No século XIX, Hippolyte Fizeau desenvolveu um método para determinar a velocidade da luz com base em medições de tempo de voo na Terra e relatou um valor de 315000 km/s.[149] Seu método foi aprimorado por Léon Foucault, que obteve um valor de 298000 km/s em 1862.[108] No ano de 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch mediram a razão entre as unidades eletromagnética e eletrostática de carga, 1/√ε0μ0, descarregando uma garrafa de Leyden, e descobriram que seu valor numérico era muito próximo da velocidade da luz medida diretamente por Fizeau. No ano seguinte, Gustav Kirchhoff calculou que um sinal elétrico em um fio sem resistência viaja ao longo do fio a essa velocidade.[150]

No início da década de 1860, Maxwell mostrou que, de acordo com a teoria do eletromagnetismo em que estava trabalhando, as ondas eletromagnéticas se propagam no espaço vazio[151] a uma velocidade igual à razão de Weber/Kohlrausch acima, e chamando a atenção para a proximidade numérica desse valor com a velocidade da luz medida por Fizeau, ele propôs que a luz é de fato uma onda eletromagnética.[152] Maxwell apoiou sua afirmação com seu próprio experimento publicado nas Philosophical Transactions de 1868, que determinou a razão entre as unidades eletrostática e eletromagnética da eletricidade.[153]

"Éter luminífero"

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As propriedades ondulatórias da luz eram bem conhecidas desde Thomas Young. No século XIX, os físicos acreditavam que a luz se propagava em um meio chamado éter (ou ether). Após a teoria de Maxwell unificar a luz e as ondas elétricas e magnéticas, passou-se a favorecer que tanto a luz quanto as ondas eletromagnéticas se propagam no mesmo meio de éter (ou chamado de éter luminífero).[154]

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Hendrik Lorentz (direita) com Albert Einstein (1921)

Alguns físicos pensavam que esse éter atuava como um referencial preferencial para a propagação da luz e, portanto, deveria ser possível medir o movimento da Terra em relação a esse meio, medindo a isotropia da velocidade da luz. A partir da década de 1880, vários experimentos foram realizados para tentar detectar esse movimento, o mais famoso dos quais é o experimento realizado por Albert A. Michelson e Edward W. Morley em 1887.[155][156] O movimento detectado foi sempre nulo (dentro do erro observacional). Experimentos modernos indicam que a velocidade bidirecional da luz é isotrópica (a mesma em todas as direções) com uma precisão de 6 nanômetros por segundo.[157]

Por causa do experimento de Michelson-Morley, Hendrik Lorentz propôs que o movimento do aparato através do éter poderia fazer com que o aparato se contraísse ao longo de seu comprimento na direção do movimento, e ele assumiu ainda que a variável de tempo para sistemas em movimento também deveria ser alterada de acordo ("tempo local"), o que levou à formulação da transformação de Lorentz. Com base na teoria do éter de Lorentz, Henri Poincaré (1900) mostrou que esse tempo local (em primeira ordem em v/c) é indicado por relógios em movimento no éter, que são sincronizados sob a suposição de velocidade constante da luz. Em 1904, ele especulou que a velocidade da luz poderia ser uma velocidade limite na dinâmica, desde que as suposições da teoria de Lorentz fossem todas confirmadas. Em 1905, Poincaré trouxe a teoria do éter de Lorentz para concordância observacional total com o princípio da relatividade.[158][159]

Relatividade especial

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Em 1905, Einstein postulou desde o início que a velocidade da luz no vácuo, medida por um observador não acelerado, é independente do movimento da fonte ou do observador. Usando isso e o princípio da relatividade como base, ele derivou a teoria da relatividade restrita, na qual a velocidade da luz no vácuo c aparecia como uma constante fundamental, aparecendo também em contextos não relacionados à luz. Isso tornou o conceito do éter estacionário (ao qual Lorentz e Poincaré ainda aderiam) inútil e revolucionou os conceitos de espaço e tempo.[160][161]

Aumento da precisão de c e redefinição do metro e do segundo

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Na segunda metade do século XX, muito progresso foi feito no aumento da precisão das medições da velocidade da luz, primeiro por técnicas de ressonância de cavidade e depois por técnicas de interferômetro a laser. Isso foi auxiliado por definições novas e mais precisas do metro e do segundo. Em 1950, Louis Essen determinou a velocidade como 299792,5±3,0 km/s, usando ressonância de cavidade.[115] Este valor foi adotado pela 12ª Assembleia Geral da União de Rádio-Científica em 1957. Em 1960, o metro foi redefinido em termos do comprimento de onda de uma linha espectral particular do criptônio-86 e, em 1967, o segundo foi redefinido em termos da frequência de transição hiperfina do estado fundamental do césio-133.[162]

Em 1972, usando o método do interferômetro a laser e as novas definições, um grupo do US National Bureau of Standards em Boulder, Colorado determinou a velocidade da luz no vácuo como c = 299792456,2±1,1 m/s. Isso era 100 vezes menos incerto do que o valor anteriormente aceito. A incerteza restante estava principalmente relacionada à definição do metro.[163][121] Como experimentos semelhantes encontraram resultados comparáveis para c, a 15ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1975 recomendou o uso do valor 299792458 m/s para a velocidade da luz.[164]

Definida como uma constante explícita

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Em 1983, a 17ª reunião da Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) descobriu que os comprimentos de onda a partir de medições de frequência e um determinado valor para a velocidade da luz são mais reprodutíveis do que o padrão anterior. Eles mantiveram a definição de segundo de 1967, de modo que a frequência hiperfina do césio passaria a determinar tanto o segundo quanto o metro. Para fazer isso, eles redefiniram o metro como "o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299792458 de segundo".[99]

Como resultado dessa definição, o valor da velocidade da luz no vácuo é exatamente 299792458 m/s[165][166] e tornou-se uma constante definida no sistema de unidades SI.[15] Técnicas experimentais aprimoradas que, antes de 1983, mediriam a velocidade da luz não afetam mais o valor conhecido da velocidade da luz em unidades SI, mas permitem uma realização mais precisa do metro medindo com mais precisão o comprimento de onda do criptônio-86 e de outras fontes de luz.[167][168]

Em 2011, a CGPM declarou sua intenção de redefinir todas as sete unidades de base do SI usando o que chama de "formulação de constante explícita", onde cada "unidade é definida indiretamente especificando explicitamente um valor exato para uma constante fundamental bem reconhecida", como foi feito para a velocidade da luz. Ela propôs uma nova redação, mas completamente equivalente, da definição do metro: "O metro, símbolo m, é a unidade de comprimento; sua magnitude é fixada fixando o valor numérico da velocidade da luz no vácuo como sendo exatamente igual a 299792458 quando expresso na unidade SI m s−1."[169] Esta foi uma das mudanças incorporadas na revisão do SI de 2019, também denominada Novo SI.[170]

Ver também

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Notas

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  1. ↑ Valor exato: (299792458 × 86400 / 149597870700) UA/dia.
  2. ↑ Valor exato: (999992651 π / 10246429500) pc/ano.

Referências

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  1. ↑ «How long does it take for light from the Sun to reach Earth?». BBC Sky at Night Magazine (em inglês). 12 de abril de 2024. Consultado em 25 de julho de 2025
  2. ↑ Larson, Ron; Hostetler, Robert P. (2007). Elementary and Intermediate Algebra: A Combined Course, Student Support Edition 4th illustrated ed. [S.l.]: Cengage Learning. p. 197. ISBN 978-0-618-75354-3
  3. 1 2 3 «speed of light in vacuum». International Electrotechnical Commission. Consultado em 11 de julho de 2026
  4. ↑ Moses Fayngold (2008). Special Relativity and How it Works illustrated ed. [S.l.]: John Wiley & Sons. p. 497. ISBN 978-3-527-40607-4 Extract of page 497.
  5. ↑ Albert Shadowitz (1988). Special Relativity revised ed. [S.l.]: Courier Corporation. p. 79. ISBN 978-0-486-65743-1 Extract of page 79.
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  7. ↑ Gibbs, Philip (1997). «How is the speed of light measured?». The Physics and Relativity FAQ. Cópia arquivada em 21 agosto 2015
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Leitura adicional

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Referências históricas

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Referências modernas

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Ligações externas

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BERJAYA
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