Pergunte a Ethan: A luz está sempre se movendo na mesma velocidade?

A imagem do centro da galáxia em várias faixas de comprimento de onda mostra fontes de radiação como estrelas, gás, buracos negros, etc. Mas a luz que emana de todas essas fontes, da radiação gama às faixas visível e de rádio, sempre se move pelo espaço vazio na mesma velocidade: a velocidade da luz no vácuo

Não importa a rapidez com que você se move, algo que você nunca pode captar: luz. A velocidade da luz não é apenas a velocidade máxima com a qual qualquer coisa pode se mover no Universo, mas também é considerada uma constante universal. Se acendemos a lanterna, observamos a Lua ou o Sol ou medimos os parâmetros de uma galáxia localizada a bilhões de anos-luz de nós, a velocidade da luz é a única coisa que permanece inalterada. Mas este é sempre o caso? É exatamente isso que nosso leitor deseja saber:

A luz viaja na mesma velocidade o tempo todo? Se algo o atrasar, ele permanecerá mais lento depois que essa influência desaparecer? Acelerará de volta à velocidade da luz?

Vamos começar com o que constitui luz em um nível fundamental: quanta.


Oscilando em uma fase, campos elétricos e magnéticos que se propagam à velocidade da luz determinam a radiação eletromagnética. A menor unidade de radiação eletromagnética, um quantum, é conhecida como fóton.

A luz pode ser diferente das partículas se você observar uma fonte de luz, como uma lâmpada, lanterna, ponteiro laser ou o Sol - mas isso é tudo porque não podemos ver suas partículas individuais. Se usarmos fotodetectores eletrônicos em vez de nossos olhos, descobriremos que toda a luz do Universo consiste nas mesmas partículas, ou quanta - fótons. Possui várias propriedades iguais para todos os fótons:

• massa igual a 0;
• velocidade sempre igual a s, velocidade da luz;
• spin, uma medida do momento angular interno, sempre igual a 1;

e uma propriedade muito importante que é diferente para diferentes fótons: energia. De todos os fótons visíveis ao olho humano, a luz violeta tem mais energia, enquanto o vermelho tem menos. Os fótons das faixas de infravermelho, microondas e rádio têm ainda menos energia e muito mais - de ultravioleta, raios X e radiação gama.


Escalas de tamanho, comprimento de onda e temperatura / energia, correspondentes a diferentes partes do espectro eletromagnético

Através do vácuo do espaço, independentemente da energia, eles sempre se movem na velocidade da luz. E não importa o quão rápido você tente se mover após a luz, ou em direção a ela: a velocidade dos fótons que você observa será sempre a mesma. Em vez de velocidade, sua energia mudará. Mova-se em direção à luz, e ela parecerá mais azul e sua energia será mais. Afaste-se dele, e ele aparecerá vermelho e sua energia será menor. Mas não importa como você se move, como a luz se move, como você muda a energia, a velocidade da luz não muda. O fóton da mais alta ou mais baixa de todas as energias observadas sempre se moverá na mesma velocidade.


Todas as partículas sem massa se movem à velocidade da luz, incluindo fótons, glúons e ondas gravitacionais que transferem interações eletromagnéticas, nucleares fortes e gravitacionais, respectivamente.

Mas se você quiser passar de um vácuo para um determinado material, a luz pode ser reduzida. Qualquer material transparente à luz permitirá que os fótons se movam dentro dele - seja água, resina acrílica, cristais, vidro e até ar. Mas, como existem partículas carregadas nesses materiais - elétrons - eles irão interagir com os fótons, e assim retardá-los. A luz, embora não tenha carga, se comporta como uma onda. Um fóton que se move no espaço causa oscilações dos campos elétrico e magnético, devido às quais ele pode interagir com partículas carregadas. Essas interações diminuem a velocidade, forçando-o a se mover a uma velocidade menor que a velocidade da luz enquanto se move no meio.


O comportamento da luz branca que passa através de um prisma demonstra como a luz de diferentes energias se move em diferentes velocidades em um meio - mas não no vácuo

Diferentes fótons terão energias diferentes, o que significa que seus campos elétrico e magnético oscilarão em diferentes frequências. No vácuo, a velocidade de diferentes tipos de luz é a mesma, mas em um meio pode ser diferente. Ilumine com uma luz branca, composta por todas as cores, uma gota de água ou um prisma, e os fótons de alta energia ficarão mais lentos do que os fótons de baixa energia, o que fará com que a luz se divida em cores.


Os arco-íris primário (claro) e secundário (escuro) aparecem devido à interação da luz solar e das gotas de água, e outros adicionais devido aos reflexos na água. As cores são separadas devido às diferentes velocidades de fótons de diferentes energias que se movem no meio - neste caso, na água

É assim que a luz, passando através das gotas de água, cria um arco-íris - fótons de diferentes energias interagem com partículas carregadas do meio e diminuem a velocidade de diferentes maneiras.


Múltiplas reflexões de luz em uma gota de água levam à separação da luz em diferentes ângulos, quando a luz vermelha no ambiente aquático se move mais rápido e violeta - mais devagar.

É importante lembrar que, neste caso, nenhuma propriedade da luz muda. Ele não perde energia, não altera suas propriedades intrínsecas, não se transforma em nada. Somente o espaço ao seu redor muda. Quando essa luz sai do meio e volta ao vácuo, novamente se move com a velocidade da luz no vácuo: 299 792 458 metros por segundo. De fato, as próprias definições de distâncias e tempo - metros e segundos - são calculadas através da velocidade da luz. Os átomos podem absorver ou emitir luz, dependendo das transições de elétrons dentro dos átomos.


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

O césio, o 55º elemento da tabela periódica, possui 55 elétrons em um único átomo neutro, estável e estável. Os primeiros 54 elétrons geralmente existem no estado com a menor energia, mas o 55º possui dois níveis de energia possíveis que podem ocupar, localizados extremamente próximos um do outro. Se ele passa de um pouco mais alto para um pouco mais baixo, então a energia de transição passa para o fóton com uma energia completamente definida. Se você fizer 9 192 631 770 ciclos desse fóton, receberá 1 segundo. Se tomarmos a distância que ela cobrirá em 30.663319 ciclos (9 192 631 770/299 792 458), obteremos 1 metro.

Disso se segue uma coisa surpreendentemente profunda: até que os átomos em todo o Universo sejam exatamente os mesmos, nossa definição de tempo, distância e velocidade da luz não mudará, independentemente de onde no Universo os usamos.


Não importa a que distância olhemos para o Universo, a física que controla os átomos e determina a duração, o tempo e a velocidade da luz permanecerá inalterada.

Então, o que aprendemos como resultado?

1. A luz, independentemente de sua energia ser alta ou baixa, sempre se move com a velocidade da luz, enquanto se move no vácuo do espaço vazio.
2. Nenhuma mudança no seu movimento ou o movimento da luz altera essa velocidade.
3. Ao enviar luz para um meio que não seja o vácuo, você pode alterar sua velocidade enquanto ele se move nesse meio.
4. A luz de diferentes energias mudará de velocidade de maneira diferente, dependendo das propriedades do meio.
5. Deixando o meio e retornando ao vácuo, a luz começa a se mover novamente na velocidade da luz.
6. De acordo com nosso conhecimento e as melhores medições, a velocidade da luz permanece em torno de 299 792 458 m / s em todos os lugares e em todos os momentos do universo.

De muitas maneiras, a luz é a partícula mais simples do universo. E, embora sempre se mova à velocidade da luz, nem sempre se move no espaço absolutamente vazio. Enquanto o material transparente for preservado no Universo, você não poderá evitar a moderação da luz nele. Mas assim que a luz retorna ao espaço vazio, ela se move novamente na velocidade da luz, e cada fóton se move como se nunca tivesse se movido a uma velocidade diferente!

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 ].

FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a era do universo não coincide com o raio de sua parte observada .