Velocidade da luz

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Sol Terra Lua.JPG
A luz do Sol demora aproximadamente oito minutos para chegar à Terra, que está a uma distância média de cerca de 150 milhões de quilômetros, o que corresponde a uma unidade astronômica.
Velocidade da luz no vácuo, em várias unidades
metros por segundo (m/s) 299 792 458
quilômetros por segundo (km/s) 299 792,458
quilômetros por hora (km/h) 1 079 252 848,8
Unidades Astronômicas por dia 173,1446
Unidades Naturais (ou unidades de Planck) 1
Tempo aproximado para a luz percorrer:
1 metro 3,3 nanossegundos
1 quilômetro 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 1,25 segundos
Do Sol à Terra 8,3 minutos
1 ano-luz 1 ano (por definição)
1 parsec 3,26 anos
Da estrela Alfa Centauro à Terra 4,4 anos
Atravessar a Via-Láctea 100 000 anos
Da Galáxia de Andrômeda à Terra 2 500 000 anos

A velocidade da luz no vácuo, simbolizada pela letra c, é, por definição, igual a 299 792 458 metros por segundo.[1] O símbolo c origina-se do latim celeritas, que significa velocidade ou rapidez.[2] 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.

Valor numérico, notação e unidades[editar | editar código-fonte]

A velocidade da luz no vácuo é geralmente denotada por c, de "constante" ou da palavra latina celeritas (que significa "rapidez"). Originalmente, era usado o símbolo V, 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, Annus Mirabilis papers (en), sobre a relatividade restrita em 1905, mas em 1907 ele mudou para c, que então tinha se tornado o símbolo padrão.[3][4]

Às vezes c é usado para a velocidade de ondas em qualquer meio material, e c0 para a velocidade da luz no vácuo.[5] Esta notação com índice, que é endossada na literatura oficial SI,[6] 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 (en).

No Sistema Internacional de Unidades (SI), o metro é definido como a distância que a luz percorre no vácuo em 1299792458 de um segundo. Essa definição fixa a velocidade da luz no vácuo em exatamente 299 792 458 m/s.[7][8][9] Como uma constante física dimensional, o valor numérico de c é diferente para sistemas de unidades diferentes.[nota 1] 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.[11][12] Usando essas unidades, c não aparece explicitamente porque multiplicação ou divisão por 1 não afeta o resultado.

Papel fundamental na física[editar | editar código-fonte]

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 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 podem depender do movimento da fonte em relação 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,[13] motivado pela teoria de Maxwell do eletromagnetismo e a falta de evidências para suportar a hipótese de um éter luminífero;[14] e desde então tem sido consistentemente confirmada por diversos experimentos.

Quando se usa o termo 'velocidade da luz', por vezes é necessário fazer a distinção entre a velocidade só de ida e a velocidade de ida e volta. A velocidade de ida da luz do emissor até o receptor, não pode ser medida independentemente da convenção de como sincronizar os relógios do emissor e do receptor. No entanto, o que pode ser medido experimentalmente é a velocidade aproximada durante o percurso total (ou a velocidade no percurso de ida e volta) do emissor para o receptor e o retorno ao emissor. Albert Einstein formulou uma convenção de sincronismo, determinando que a velocidade de ida seja igual à velocidade de ida e volta. A uniformidade da velocidade unidirecional em qualquer estrutura inercial dada, é a base de sua teoria especial da relatividade, embora todas as previsões experimentalmente verificáveis dessa teoria não dependam dessa convenção.[15][16] [17][18]

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.[19][20] Uma consequência é que c é a velocidade a que todas as partículas sem massa (en) e toda radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, se propaga 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[editar | editar código-fonte]

Passando por materiais transparentes, a velocidade da luz é reduzida a uma fração de seu valor no vácuo, sendo esse seu índice de refração, uma característica do material.[21] 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[editar | editar código-fonte]

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.[22]

História[editar | editar código-fonte]

Desde a antiguidade clássica, vários filósofos especularam sobre a velocidade da luz.[23] 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 7 de dezembro de 1676 pelo astrônomo dinamarquês Ole Romer.[24] 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[editar | editar código-fonte]

Ao resolver as equações de Maxwell[25] no vácuo e sem fontes de campo é possível obter a velocidade de uma onda eletromagnética. Segue o procedimento:

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:

Mas:

O que permite obter a equação da onda eletromagnética:

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

Em 1865 Maxwell escreveu:

Ver também[editar | editar código-fonte]

Notas

  1. A velocidade da luz em unidades imperiais e unidades dos EUA é baseada em uma polegada de exatamente 2,54 cm e é exatamente 186 282 miles, 698 jardas, 2 pés, e 5+21127 polegadas por segundo.[10]

Referências

  1. BIPM. «Unit of length (metre)». SI brochure, Section 2.1.1.1. BIPM. Consultado em 28 de novembro de 2007 
  2. «Why is c the symbol for the speed of light?». Consultado em 5 de junho de 2007 
  3. Gibbs, P (2004) [1997]. «Why is c the symbol for the speed of light?». Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Consultado em 16 de novembro de 2009. Cópia arquivada em 17 de novembro de 2009 
  4. Mendelson, KS (2006). «The story of c». American Journal of Physics. 74 (11): 995–997. Bibcode:2006AmJPh..74..995M. doi:10.1119/1.2238887 
  5. Por exemplo, em:
  6. International Bureau of Weights and Measures (2006), The International System of Units (SI) (PDF), ISBN 92-822-2213-6 8th ed. , p. 12 
  7. Sydenham, PH (2003). «Measurement of length». In: Boyes, W. Instrumentation Reference Book 3rd ed. [S.l.]: Butterworth–Heinemann. p. 56. ISBN 0750671238. ... if the speed of light is defined as a fixed number then, in principle, the time standard will serve as the length standard ... 
  8. «CODATA value: Speed of Light in Vacuum». The NIST reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. Consultado em 21 de agosto de 2009 
  9. Jespersen, J; Fitz-Randolph, J; Robb, J (1999). From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency Reprint of National Bureau of Standards 1977, 2nd ed. [S.l.]: Courier Dover. p. 280. ISBN 0486409139 
  10. Savard, J. «From Gold Coins to Cadmium Light». John Savard's Home Page. Consultado em 14 de novembro de 2009. Cópia arquivada em 14 de novembro de 2009 
  11. Lawrie, ID (2002). «Appendix C: Natural units». A Unified Grand Tour of Theoretical Physics 2nd ed. [S.l.]: CRC Press. p. 540. ISBN 0750306041 
  12. Hsu, L (2006). «Appendix A: Systems of units and the development of relativity theories». A Broader View of Relativity: General Implications of Lorentz and Poincaré Invariance 2nd ed. [S.l.]: World Scientific. pp. 427–8. ISBN 9812566511 
  13. Stachel, JJ (2002). Einstein from "B" to "Z" - Volume 9 of Einstein studies. [S.l.]: Springer. p. 226. ISBN 0817641432 
  14. Einstein, A (1905). «Zur Elektrodynamik bewegter Körper» (PDF). Annalen der Physik (em German). 17: 890–921 [ligação inativa]  English translation: Perrett, W; Jeffery, GB (tr.); Walker, J (ed.). «On the Electrodynamics of Moving Bodies». Fourmilab. Consultado em 27 de novembro de 2009 
  15. Yuan-Zhong Zhang (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. [S.l.]: World Scientific. ISBN 9789810227494 
  16. Anderson, R.; Vetharaniam, I.; Stedman, G. E. (1998). «Conventionality of synchronisation, gauge dependence and test theories of relativity». Physics Reports. 295: 93–180. Bibcode:1998PhR...295...93A. doi:10.1016/S0370-1573(97)00051-3 
  17. Hsu, J-P; Zhang, YZ (2001). Lorentz and Poincaré Invariance. Col: Advanced Series on Theoretical Physical Science. 8. [S.l.]: World Scientific. pp. 543ff. ISBN 9810247214 
  18. Zhang, YZ (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. Col: Advanced Series on Theoretical Physical Science. 4. [S.l.]: World Scientific. pp. 172–3. ISBN 9810227493 
  19. d'Inverno, R (1992). Introducing Einstein's Relativity. [S.l.]: Oxford University Press. pp. 19–20. ISBN 0-19-859686-3 
  20. Sriranjan, B (2004). «Postulates of the special theory of relativity and their consequences». The Special Theory to Relativity. [S.l.]: PHI Learning. pp. 20 ff. ISBN 812031963X 
  21. CHAVES, Alaor S. (2001). Física. 3. Rio de Janeiro: Reichmann & Affonso. p. 30. ISBN 85-87148-52-4 
  22. Hau, Lene; Harris, S. E.; Dutton, Zachary; Behroozi, Cyrus H. (18 de setembro de 1999). «Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas». Nature (em inglês). Consultado em 7 de julho de 2011 
  23. «Velocidade da Luz». Portal São Francisco. Consultado em 8 de fevereiro de 2012 
  24. «Ole Rømer, o astrônomo que determinou a velocidade da luz». El País. 7 de dezembro de 2016. Consultado em 7 de dezembro de 2016 
  25. «As Equações de Maxwell». UNICAMP. Consultado em 8 de fevereiro de 2012 

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

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