Velocidade da luz

A luz do Sol, demora aproximadamente 8 minutos a chegar à Terra.

Velocidade da luz em várias unidades
metros por segundo (m/s)	299 792 458 (exactos)
quilómetros por segundo (km/s)	≈ 300 000
quilómetros por hora (km/h)	≈ 1079 milhões
milhas por segundo	≈ 186 000
milhas por hora	≈ 671 milhões
Unidades Astronómicas por dia	≈ 173
Unidades Naturais (ou unidades de Planck)	1
Tempo aproximado para a luz percorrer:
1 metro	3,3 nanossegundos
1 quilómetro	3,3 microssegundos
De uma órbita geoestacionária até à Terra	0,12 segundos
O perímetro da Terra (Equador)	0,13 segundos
da Terra à Lua	1,3 segundos
Do Sol à Terra	8,3 minutos
Da estrela Alfa Centauro à Terra	4,4 anos
Atravessar a Via-Láctea	100 000 anos
Da Galáxia de Andrómeda à Terra	2 500 000 anos

Os raios demonstram a diferença entre a velocidade da luz e a velocidade do som: primeiro vem a luz (relâmpago) e depois o som (trovão)

A velocidade da luz no vácuo, simbolizada pela letra c, é definida como 299 792 458 metros por segundo. O símbolo c origina-se do Latim celeritas, velocidade ou rapidez. A velocidade da luz em um meio material transparente, tal como o vidro ou o ar, é menor que c, sendo a fração função do índice de refração do meio.

A unidade fundamental do SI para comprimentos, o metro, é definida desde 21 de outubro de 1983 como a distância que a luz viaja no vácuo em 1/299 792 458 do segundo; qualquer aumento na precisão da medida de velocidade da luz iria certamente refinar a definição do metro, mas não alterar o valor numérico do c.

Visão geral

De acordo com a moderna física teórica, toda radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, se propaga (ou move) no vácuo a uma velocidade constante, chamada de velocidade da luz, que é uma constante da Física, representada por c. É também a velocidade de propagação da atração gravitacional, na teoria geral da relatividade.

Uma consequência das equações de Maxwell, referentes ao eletromagnetismo, é que a velocidade c da radiação eletromagnética não depende da velocidade do objeto que emite a radiação, de modo que a velocidade da luz emitida por uma fonte em alta velocidade é a mesma que a de outra fonte estacionária, embora a frequência (que define a cor) e a energia sejam diferentes, por causa do efeito Doppler relativístico. Todos os observadores que medem a velocidade da luz no vácuo chegam ao mesmo resultado. Por isso c é uma constante física fundamental e a constância da velocidade da luz no vácuo é um dos fundamentos da teoria da relatividade especial. Distâncias astronômicas são frequentemente medidas em anos-luz, que é a distância que a luz percorre em um ano solar, aproximadamente 9,46×10¹² quilômetros.

Interação com materiais transparentes

Passando por materiais transparentes, a velocidade da luz é reduzida a uma fração de c , sendo esse seu índice de refração, uma característica do material. No ar, a velocidade é pouco menor que c, enquanto materiais mais densos como água ou vidro podem reduzir a velocidade da luz para 70 a 60% de c. Fibras ópticas, muito utilizadas em telecomunicações, normalmente reduzem 30% da velocidade. Essa redução também é responsável pelo fenômeno da refração, quando a luz passa de um material para outro.

Como a velocidade depende do índice de refração, e este depende da frequência da luz, tem-se que a luz em diferentes frequências viaja a diferentes velocidades no mesmo material. Isto pode causar distorções das ondas eletromagnéticas chamadas de dispersão. Deve-se notar que ao voltar de um meio físico para o vácuo, a luz reassume a velocidade c sem receber nenhuma energia.

Desacelerando a luz

Certos materiais especiais, como o condensado de Bose-Einstein, têm um índice de refração altíssimo, reduzindo a velocidade da luz a meros 17 metros por segundo. Em um experimento em 2001, a equipe da cientista Lene Hau conseguiu mesmo pará-la por instantes.

História

Desde a antiguidade clássica, vários filósofos especularam sobre a velocidade da luz. Empédocles, Aristóteles e Heron na Grécia e os árabes Avicena e Alhazen deixaram, também, suas opiniões. O indiano , no século XIV, deixou um comentário no Rig Veda (estimados 302 000  m/s).

Johannes Kepler, Francis Bacon e René Descartes, na Europa, também citaram o assunto. Galileu Galilei propôs um experimento em 1638, realizado em Florença no ano de 1667, que fracassou. A primeira técnica de medição foi acidentalmente descoberta em 1676 por Ole Romer. Enquanto observava Júpiter e seu satélite Io, notou que havia um atraso, o que o levou a comentar num congresso de astronomia que a velocidade da luz poderia ser muito alta. Suas medições, combinadas com outras de Christiaan Huygens, chegaram a um valor abaixo do valor real mas muito mais alto do que o de qualquer fenômeno conhecido então. Newton, em seu livro Opticks, aceita um valor quase igual ao de Romer.

Foram, no entanto, as observações de James Bradley em 1728 que elucidaram a questão, calculando a velocidade num valor apenas um pouco menor que o aceito atualmente. Léon Foucault, usando a roda de medir a velocidade da luz inventada por Fizeau, publicou uma aproximação melhor, e finalmente, em 1926, Albert Michelson, do observatório de Monte Wilson, publicou um valor preciso.

Eletromagnetismo

Ao resolver as equações de Maxwell no vácuo e sem fontes de campo é possível obter a velocidade de uma onda eletromagnética. Segue o procedimento:

$\nabla \cdot \mathbf{E} = 0$

$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$

$\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial\mathbf{B}} {\partial t}$

$\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}$

Estas equações têm uma solução simples em termos de ondas progressivas planas senoidais, com as direções dos campos elétricos e magnéticos ortogonais um ao outro e à direção do deslocamento, e com os dois campos em fase:

$\nabla \times \nabla \times \mathbf{E} =\nabla \cdot \nabla \mathbf{E} - \nabla^2 \mathbf{E}= \nabla \times (-\frac{\partial\mathbf{B}} {\partial t}) = -\frac{\partial \nabla \times \mathbf{B}} {\partial t}$

$\nabla \times \nabla \times \mathbf{B} =\nabla \cdot \nabla \mathbf{B} - \nabla^2 \mathbf{B}=\nabla \times (\mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}) = \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \nabla \times \mathbf{E}} {\partial t}$

Mas:

$0 - \nabla^2 \mathbf{E}= -\frac{\partial} {\partial t} (\mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t})$

$0 - \nabla^2 \mathbf{B}= \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial} {\partial t} (-\frac{\partial\mathbf{B}} {\partial t})$

O que permite obter a equação da onda eletromagnética:

$\nabla^2 \mathbf{E}= \mu_0 \varepsilon_0 { \partial^2 \mathbf{E} \over \partial t^2 }$

$\nabla^2 \mathbf{B}= \mu_0 \varepsilon_0 { \partial^2 \mathbf{B} \over \partial t^2 }$

De onde se obtém a velocidade da onda eletromagnética (c):

$c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}$

Em 1865 Maxwell escreveu:

Esta velocidade é tão próxima da velocidade da luz que parece que temos fortes motivos para concluir que a luz em si (incluindo calor radiante, e outras radiações do tipo) é uma perturbação eletromagnética na forma de ondas propagadas através do campo eletromagnético de acordo com as leis eletromagnéticas.

Ver também

• Ano-luz
• Relatividade geral
• Experiência de Michelson-Morley
• Astronomia
• Física
• Espaço-tempo
• Teoria da relatividade

Ligações externas

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• Experiência de Michelson (em inglês)
• NIST
• Desligando a luz (em inglês)