Velocidade da luz

A luz do Sol demora aproximadamente 8 minutos para 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, por definição, igual a 299 792 458 metros por segundo . O símbolo c origina-se do latim celeritas, que significa 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 Sistema Internacional de Unidades (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. Sendo assim, a definição do metro passou a ser dependente da velocidade da luz, numa inversão do que havia anteriormente. Assim, qualquer mudança na definição do correspondente numérico da velocidade da luz modificaria a definição do metro, ao passo que eventuais novos cálculos da velocidade da luz poderiam, ao invés de mudar o valor numérico do "c", modificar a medida do metro.

Valor numérico, notação e unidades

A velocidade da luz no vácuo é geralmente denotada por c, de "constante" ou da palavra latina celeritas (que significa "rapidez"). Originalmente, o símbolo V era usado, introduzido por James Clerk Maxwell em 1865. Em 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usaram c para uma constante, que mais tarde mostrou-se que era igual a √2 vezes a velocidade da luz no vácuo. Em 1894, Paul Drude redefiniu c para o seu significado moderno. Einstein usou V em seus artigos originais em alemão sobre a relatividade restrita em 1905, mas em 1907 ele mudou para c, que então tinha se tornado o símbolo padrão.

Às vezes c é usado para a velocidade de ondas em qualquer meio material, e c₀ para a velocidade da luz no vácuo. Esta notação com índice, que é endossada na literatura oficial SI, tem a mesma forma que outras constantes relacionadas: nomeadamente, μ₀ para a permeabilidade do vácuo ou constante magnética, ε₀ para a permissividade do vácuo ou constante elétrica, e Z₀ para a impedância do espaço livre.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), o metro é definido como a distância que a luz percorre no vácuo em ¹⁄299 792 458 de um segundo. Essa definição fixa a velocidade da luz no vácuo em exatamente 299 792 458 m/s. Como uma constante física dimensional, o valor numérico de c é diferente para sistemas de unidades diferentes. Em ramos da física em que c aparece frequentemente, como na relatividade, é comum usar sistemas de unidades naturais de medida em que c = 1. Usando essas unidades, c não aparece explicitamente porque multiplicação ou divisão por 1 não afeta o resultado.

Papel fundamental na física

A velocidade a que as ondas de luz se propagam no vácuo é independente tanto do movimento da fonte de onda quanto do referencial inercial do observador, de modo que a velocidade da luz emitida por uma fonte em alta velocidade é a mesma que a de outra fonte estacionária. No entanto, a frequência da luz (que define a cor) e a energia pode depender de movimento da fonte relativo ao observador, devido ao efeito Doppler relativístico. Todos os observadores que medem a velocidade da luz no vácuo chegam ao mesmo resultado. Essa invariância da velocidade da luz foi postulada por Einstein em 1905, motivado pela teoria de Maxwell do eletromagnetismo e a falta de evidências para suportar o éter luminífero; e desde então tem sido consistentemente confirmado por diversos experimentos. Somente é possível verificar experimentalmente que a velocidade da luz de ida e volta (por exemplo, de uma fonte para um espelho e então de volta) independe do referencial, porque é impossível medir a velocidade de ida da luz (por exemplo, de uma fonte para um detector distante) sem uma convenção sobre como os relógios na fonte e no detector devem ser sincronizados. No entanto, adotando a sincronização de Einstein para os relógios, a velocidade de ida da luz fica igual à velocidade da luz de ida e volta, por definição. A teoria especial da relatividade explora as consequências dessa invariância de c com a suposição de que as leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais. Uma consequência é que c é a velocidade a que todas as partículas sem massa e toda radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, se propaga (ou move) no vácuo. É também a velocidade de propagação da atração gravitacional, na teoria geral da relatividade.

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).^{[carece de fontes]}

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 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:

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

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

Mas:

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

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

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)