Pergunte a Ethan: Por que a velocidade da luz é o que é?

Independentemente da cor, comprimento de onda ou energia, a velocidade com que a luz viaja no vácuo permanece constante. Não depende da localização ou das direções no espaço e no tempo.

Nada no Universo é capaz de se mover mais rápido que a luz no vácuo. 299 792 458 metros por segundo. Se é uma partícula maciça, só pode se aproximar dessa velocidade, mas não alcançá-la; se for uma partícula sem massa, deve sempre se mover com essa velocidade, se estiver acontecendo no espaço vazio. Mas como sabemos disso e por quê? Nesta semana, nosso leitor nos faz três perguntas relacionadas à velocidade da luz:

Por que a velocidade da luz é finita? Por que ela é do jeito que é? Por que não mais rápido e mais lento?

Até o século 19, não tínhamos nenhuma confirmação desses dados.


Ilustração da luz que passa através de um prisma e se divide em cores claras.

Se a luz passa através da água, de um prisma ou de qualquer outro meio, é dividida em cores diferentes. A cor vermelha não se refrata no ângulo em que fica azul, e é por isso que algo como um arco-íris surge. Isso pode ser observado fora do espectro visível; luz infravermelha e ultravioleta se comportam da mesma maneira. Isso seria possível apenas se a velocidade da luz no meio for diferente para a luz de diferentes comprimentos de onda / energias. Mas no vácuo, fora de qualquer meio, toda a luz se move com a mesma velocidade finita.


A separação da luz em cores ocorre devido a diferentes velocidades da luz, dependendo do comprimento de onda, através do meio

Eles só chegaram a isso em meados do século 19, quando o físico James Clerk Maxwell mostrou o que a luz realmente é: uma onda eletromagnética. Maxwell primeiro colocou os fenômenos independentes de eletrostática (cargas estáticas), eletrodinâmica (cargas e correntes móveis), magnetostática (campos magnéticos constantes) e magnetodinâmica (correntes induzidas e campos magnéticos alternados) em uma única plataforma unificada. As equações que a governam - as equações de Maxwell - permitem calcular a resposta a uma pergunta aparentemente simples: que tipos de campos elétricos e magnéticos podem existir no espaço vazio, fora de fontes elétricas ou magnéticas? Sem cargas e sem correntes, seria possível decidir que nenhuma - mas as equações de Maxwell surpreendentemente provam o contrário.


Placa de equação de Maxwell na parte de trás de seu monumento

Nada é uma solução possível; mas outra coisa também é possível - campos elétricos e magnéticos mutuamente perpendiculares, oscilando em uma fase. Eles têm certas amplitudes. Sua energia é determinada pela frequência das oscilações de campo. Eles se movem a uma certa velocidade, determinada por duas constantes: ε ₀ e μ ₀ . Essas constantes determinam a magnitude das interações elétricas e magnéticas em nosso universo. A equação resultante descreve uma onda. E, como qualquer onda, tem uma velocidade, 1 / √ε ₀ µ ₀ , que resulta igual a c, a velocidade da luz no vácuo.


Campos elétricos e magnéticos mutuamente perpendiculares, oscilando em uma fase, propagando-se à velocidade da luz, determinam a radiação eletromagnética

Do ponto de vista teórico, a luz é radiação eletromagnética sem massa. De acordo com as leis do eletromagnetismo, ele deve se mover a uma velocidade de 1 / √ ε ₀ µ ₀ , igual a c - independentemente de suas outras propriedades (energia, momento, comprimento de onda). ε ₀ pode ser medido fabricando e medindo o capacitor; µ _{0 é} determinado com precisão a partir de amperes, unidades de corrente elétrica, o que nos dá c. A mesma constante fundamental, deduzida por Maxwell em 1865, apareceu desde então em muitos outros lugares:

• Essa é a velocidade de qualquer partícula ou onda sem massa, inclusive gravitacional.
• Esta é uma constante fundamental que correlaciona seu movimento no espaço com seu movimento no tempo na teoria da relatividade.
• E essa é uma constante fundamental que liga a energia à massa restante, E = mc ²


As observações de Römer nos forneceram as primeiras medições da velocidade da luz obtida usando a geometria e medindo o tempo necessário para a luz percorrer uma distância igual ao diâmetro da órbita da Terra.

As primeiras medições dessa quantidade foram feitas durante observações astronômicas. Quando as luas de Júpiter entram e saem para a posição do eclipse, elas parecem visíveis ou invisíveis da Terra em uma determinada sequência, dependendo da velocidade da luz . Isso levou à primeira medição quantitativa de s no século XVII, que foi determinada em 2,2 × 10 ⁸ m / s. O desvio da luz das estrelas - devido ao movimento da estrela e da Terra em que o telescópio está montado - também pode ser estimado numericamente. Em 1729, esse método de medição mostrou um valor que difere do moderno em apenas 1,4%. Na década de 1970, o número de s era de 299 792 458 m / s, com um erro de apenas 0,0000002%, a maioria dos quais decorria da incapacidade de determinar com precisão o medidor ou o segundo. Em 1983, o segundo e o metro foram redefinidos através de c e das propriedades universais da radiação atômica. Agora a velocidade da luz é exatamente 299 792 458 m / s.


A transição atômica do orbital 6S, δf ₁ , determina o metro, o segundo e a velocidade da luz

Então, por que a velocidade da luz não é mais nem menos? A explicação é tão simples quanto a mostrada na fig. Átomo superior. As transições atômicas ocorrem à medida que ocorrem, devido às propriedades quânticas fundamentais dos blocos de construção da natureza. As interações do núcleo atômico com os campos elétrico e magnético criados pelos elétrons e outras partes do átomo levam ao fato de que diferentes níveis de energia são extremamente próximos um do outro, mas ainda um pouco diferentes: isso é chamado de divisão hiperfina . Em particular, a frequência de transição da estrutura hiperfina do césio-133 emite luz de uma frequência muito específica. O tempo gasto para 9.192.631.770 desses ciclos é o segundo; a distância que a luz percorre durante esse período é de 299 792 458 metros; a velocidade com que essa luz se propaga determina s.


Um fóton roxo carrega um milhão de vezes mais energia que o amarelo. O telescópio gama espacial Fermi não mostra atrasos em nenhum dos fótons que chegaram até nós desde a explosão de raios gama, o que confirma a constância da velocidade da luz para todas as energias

Para mudar essa definição, é necessário que algo fundamentalmente diferente de sua natureza atual aconteça com essa transição atômica ou com a luz que vem dela. Este exemplo também nos dá uma lição valiosa: se a física atômica e as transições atômicas funcionassem de maneira diferente no passado ou a longas distâncias, isso seria evidência de uma mudança na velocidade da luz ao longo do tempo. Até agora, todas as nossas medições impõem restrições adicionais à constância da velocidade da luz, e essas restrições são muito rigorosas: a mudança não excede 7% do valor atual nos últimos 13,7 bilhões de anos. Se, para algumas dessas métricas, a velocidade da luz não fosse constante ou se fosse diferente para diferentes tipos de luz, isso levaria à maior revolução científica desde Einstein. Em vez disso, todas as evidências falam em favor do Universo, no qual todas as leis da física sempre, em todos os lugares, em todas as direções, permanecem sempre as mesmas, incluindo a física da própria luz. Em certo sentido, isso também é uma informação bastante revolucionária.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].