Como a luz viaja?

A questão de como a luz viaja pelo espaço é um dos mistérios perenes da física. Nas explicações modernas, é um fenômeno de onda que não precisa de um meio para se propagar. De acordo com a teoria quântica, ele também se comporta como uma coleção de partículas sob certas circunstâncias. Para a maioria dos propósitos macroscópicos, entretanto, seu comportamento pode ser descrito tratando-o como uma onda e aplicando os princípios da mecânica ondulatória para descrever seu movimento.

Em meados de 1800, o físico escocês James Clerk Maxwell estabeleceu que a luz é uma forma de energia eletromagnética que viaja em ondas. A questão de como ele consegue fazer isso na ausência de um meio é explicada pela natureza das vibrações eletromagnéticas. Quando uma partícula carregada vibra, ela produz uma vibração elétrica que induz automaticamente uma magnética - os físicos frequentemente visualizam essas vibrações ocorrendo em planos perpendiculares. As oscilações emparelhadas se propagam para fora da fonte; nenhum meio, exceto o campo eletromagnético que permeia o universo, é necessário para conduzi-los.

Quando uma fonte eletromagnética gera luz, a luz viaja para fora como uma série de esferas concêntricas espaçadas de acordo com a vibração da fonte. A luz sempre segue o caminho mais curto entre a origem e o destino. Uma linha desenhada da origem ao destino, perpendicular às frentes de onda, é chamada de raio. Longe da fonte, as frentes esféricas das ondas degeneram em uma série de linhas paralelas que se movem na direção do raio. Seu espaçamento define o comprimento de onda da luz, e o número dessas linhas que passam por um determinado ponto em uma determinada unidade de tempo define a frequência.

A frequência com que uma fonte de luz vibra determina a frequência - e o comprimento de onda - da radiação resultante. Isso afeta diretamente a energia do pacote de ondas - ou rajadas de ondas que se movem como uma unidade - de acordo com uma relação estabelecida pelo físico Max Planck no início do século XX. Se a luz é visível, a frequência da vibração determina a cor. A velocidade da luz não é afetada pela frequência vibracional, no entanto. No vácuo, é sempre 299.792 quilômetros por segundo (186, 282 milhas por segundo), um valor denotado por a letra "c." De acordo com a Teoria da Relatividade de Einstein, nada no universo viaja mais rápido do que esta.

A luz viaja mais devagar em um meio do que no vácuo, e a velocidade é proporcional à densidade do meio. Essa variação de velocidade faz com que a luz se curve na interface de dois meios - um fenômeno chamado refração. O ângulo em que ele se curva depende das densidades dos dois meios e do comprimento de onda da luz incidente. Quando a luz incidente em um meio transparente é composta de frentes de onda de diferentes comprimentos de onda, cada frente de onda se curva em um ângulo diferente e o resultado é um arco-íris.