QUAL é A VELOCIDADE DA LUZ?

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Desde os tempos antigos, filósofos e estudiosos têm procurado entender a luz. Além de tentar discernir suas propriedades básicas (isto é, do que é feito - partícula ou onda, etc.), eles também procuraram fazer medições finitas de quão rápido ele viaja. Desde o final do século XVII, os cientistas vêm fazendo exatamente isso, e com crescente precisão.

Ao fazer isso, eles entenderam melhor a mecânica da luz e o importante papel que ela desempenha na física, astronomia e cosmologia. Simplificando, a luz se move em velocidades incríveis e é a coisa que se move mais rapidamente no Universo. Sua velocidade é considerada uma barreira constante e inquebrável, e é usada como um meio de medir a distância. Mas quão rápido ele viaja?

Velocidade da luz (c):

A luz viaja a uma velocidade constante de 1.079.252.848,8 (1,07 bilhão) km por hora. Isso equivale a 299.792.458 m / s, ou cerca de 670.616.629 mph (milhas por hora). Para colocar isso em perspectiva, se você pudesse viajar na velocidade da luz, seria capaz de circunavegar o globo aproximadamente sete vezes e meia em um segundo. Enquanto isso, uma pessoa que voa a uma velocidade média de cerca de 800 km / h (500 mph) levaria mais de 50 horas para circular o planeta apenas uma vez.

Para colocar isso em uma perspectiva astronômica, a distância média da Terra à Lua é de 384.398,25 km (238.854 milhas). Então a luz cruza essa distância em cerca de um segundo. Enquanto isso, a distância média do Sol à Terra é de ~ 149.597.886 km (92.955.817 milhas), o que significa que a luz leva apenas cerca de 8 minutos para fazer essa jornada.

Não é de admirar, então, por que a velocidade da luz é a métrica usada para determinar distâncias astronômicas. Quando dizemos que uma estrela como Proxima Centauri está a 4,25 anos-luz de distância, estamos dizendo que levaria - viajando a uma velocidade constante de 1,07 bilhão de quilômetros por hora (670.616.629 mph) - cerca de 4 anos e 3 meses para chegar lá. Mas como chegamos a essa medida altamente específica para "velocidade da luz"?

História do Estudo:

Até o século XVII, os estudiosos não tinham certeza se a luz viajava a uma velocidade finita ou instantaneamente. Desde os dias dos gregos antigos até os estudiosos islâmicos medievais e cientistas do início do período moderno, o debate se repetia. Não foi até o trabalho do astrônomo dinamarquês Øle Rømer (1644-1710) que a primeira medição quantitativa foi feita.

Em 1676, Rømer observou que os períodos da lua mais interna de Júpiter, Io, pareciam ser mais curtos quando a Terra se aproximava de Júpiter do que quando estava se afastando. A partir disso, ele concluiu que a luz viaja a uma velocidade finita e estimou que leva cerca de 22 minutos para cruzar o diâmetro da órbita da Terra.

Christiaan Huygens usou essa estimativa e combinou-a com uma estimativa do diâmetro da órbita da Terra para obter uma estimativa de 220.000 km / s. Isaac Newton também falou sobre os cálculos de Rømer em seu trabalho seminal Opticks (1706) Ajustando a distância entre a Terra e o Sol, ele calculou que levaria sete ou oito minutos para viajar de um para o outro. Nos dois casos, eles tiveram uma margem relativamente pequena.

Medidas posteriores feitas pelos físicos franceses Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) e Léon Foucault (1819 - 1868) refinaram ainda mais essas medidas - resultando em um valor de 315.000 km / s (192.625 mi / s). E na segunda metade do século XIX, os cientistas se conscientizaram da conexão entre luz e eletromagnetismo.

Isso foi realizado por físicos medindo cargas eletromagnéticas e eletrostáticas, que descobriram que o valor numérico estava muito próximo da velocidade da luz (conforme medido por Fizeau). Baseado em seu próprio trabalho, que mostrou que as ondas eletromagnéticas se propagam no espaço vazio, o físico alemão Wilhelm Eduard Weber propôs que a luz era uma onda eletromagnética.

O próximo grande avanço ocorreu no início do século XX / em seu artigo de 1905, intitulado "Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento ", Albert Einstein afirmou que a velocidade da luz no vácuo, medida por um observador não acelerador, é a mesma em todos os referenciais inerciais e independente do movimento da fonte ou observador.

Usando este e o princípio da relatividade de Galileu como base, Einstein derivou a Teoria da Relatividade Especial, na qual a velocidade da luz no vácuo (c) era uma constante fundamental. Antes disso, o consenso de trabalho entre os cientistas sustentava que o espaço era preenchido com um "éter luminífero" responsável por sua propagação - ou seja, que a luz que viaja através de um meio móvel seria arrastada pelo meio.

Por sua vez, isso significava que a velocidade medida da luz seria uma soma simples de sua velocidade através o meio mais a velocidade do esse meio. No entanto, a teoria de Einstein efetivamente tornou inútil o conceito de éter estacionário e revolucionou os conceitos de espaço e tempo.

Não apenas promoveu a idéia de que a velocidade da luz é a mesma em todos os referenciais inerciais, como também introduziu a idéia de que grandes mudanças ocorrem quando as coisas se aproximam da velocidade da luz. Isso inclui o quadro de espaço-tempo de um corpo em movimento que parece desacelerar e contrair na direção do movimento quando medido no quadro do observador (isto é, dilatação do tempo, onde o tempo diminui à medida que a velocidade da luz se aproxima).

Suas observações também reconciliaram as equações de Maxwell para eletricidade e magnetismo com as leis da mecânica, simplificaram os cálculos matemáticos, eliminando explicações estranhas usadas por outros cientistas e concordando com a velocidade da luz diretamente observada.

Durante a segunda metade do século 20, medições cada vez mais precisas usando inferômetros a laser e técnicas de ressonância de cavidade refinariam ainda mais as estimativas da velocidade da luz. Em 1972, um grupo do Departamento Nacional de Padrões dos EUA em Boulder, Colorado, usou a técnica de inferômetro a laser para obter o valor atualmente reconhecido de 299.792.458 m / s.

Papel na astrofísica moderna:

A teoria de Einstein de que a velocidade da luz no vácuo é independente do movimento da fonte e do referencial inercial do observador, desde então tem sido consistentemente confirmada por muitos experimentos. Ele também define um limite superior para as velocidades nas quais todas as partículas e ondas sem massa (que incluem luz) podem viajar no vácuo.

Uma das conseqüências disso é que os cosmólogos agora tratam o espaço e o tempo como uma estrutura única e unificada conhecida como espaço-tempo - na qual a velocidade da luz pode ser usada para definir valores para ambos (por exemplo, "anos-luz", "minutos-luz" e Segundos de luz)). A medição da velocidade da luz também se tornou um fator importante na determinação da taxa de expansão cósmica.

A partir da década de 1920, com observações de Lemaitre e Hubble, cientistas e astrônomos perceberam que o Universo está se expandindo de um ponto de origem. Hubble também observou que quanto mais distante uma galáxia, mais rápida ela parece estar se movendo. No que agora é chamado de Parâmetro Hubble, a velocidade na qual o Universo está se expandindo é calculada em 68 km / s por megaparsec.

Esse fenômeno, que foi teorizado para significar que algumas galáxias poderiam realmente estar se movendo mais rápido que a velocidade da luz, pode colocar um limite no que é observável em nosso Universo. Essencialmente, as galáxias viajando mais rápido que a velocidade da luz atravessariam um "horizonte de eventos cosmológicos", onde não são mais visíveis para nós.

Além disso, na década de 1990, as medidas de desvio para o vermelho das galáxias distantes mostraram que a expansão do Universo está se acelerando nos últimos bilhões de anos. Isso levou a teorias como a "Energia Escura", onde uma força invisível está impulsionando a expansão do próprio espaço em vez de objetos se movendo através dele (não colocando restrições à velocidade da luz ou violando a relatividade).

Juntamente com a relatividade geral e especial, o valor moderno da velocidade da luz no vácuo passou a informar a cosmologia, a física quântica e o modelo padrão da física de partículas. Permanece constante quando se fala do limite superior no qual partículas sem massa podem viajar e permanece uma barreira inatingível para partículas que têm massa.

Talvez, algum dia, encontraremos uma maneira de exceder a velocidade da luz. Embora não tenhamos idéias práticas de como isso pode acontecer, o dinheiro inteligente parece estar em tecnologias que nos permitirão contornar as leis do espaço-tempo, criando bolhas de urdidura (também conhecidas como Alcubierre Warp Drive) ou escavando um túnel por ela ( também conhecido como buracos de minhoca).

Até esse momento, teremos que ficar satisfeitos com o universo que podemos ver e continuar explorando a parte que é alcançável usando métodos convencionais.

Escrevemos muitos artigos sobre a velocidade da luz para a Space Magazine. Aqui está a velocidade da velocidade da luz ?, como as galáxias estão se afastando mais rápido que a luz ?, como as viagens espaciais podem ser mais rápidas que a velocidade da luz? E a quebra da velocidade da luz.

Aqui está uma calculadora interessante que permite converter muitas unidades diferentes para a velocidade da luz e uma calculadora de relatividade, caso você queira viajar quase a velocidade da luz.

O elenco de astronomia também possui um episódio que aborda questões sobre a velocidade da luz - Mostra de perguntas: relatividade, relatividade e mais relatividade.

Fontes: