Estale os dedos! No tempo que levou para fazer isso, um feixe de luz foi capaz de viajar quase todo o caminho até a lua. Se você estalar os dedos mais uma vez, dará ao feixe tempo para completar a jornada. A questão é que a luz viaja muito, muito rápido.
A luz viaja rapidamente, mas sua velocidade não é infinita, como as pessoas acreditavam antes do século XVII. A velocidade é muito rápida para medir usando lâmpadas, explosões ou outros meios que dependem da acuidade visual humana e do tempo de reação humana, no entanto. Pergunte a Galileu.
Experimentos leves
Galileu planejou um experimento em 1638 que usava lanternas, e a melhor conclusão que ele conseguiu foi que a luz é "extraordinariamente rápida" (em outras palavras, muito, muito rápida). Ele não foi capaz de fornecer um número, se é que o fez, até mesmo tentou o experimento. Ele, no entanto, se aventurou a dizer que acreditava que a luz viaja pelo menos 10 vezes mais rápido que o som. Na verdade, é um milhão de vezes mais rápido.
A primeira medição bem-sucedida da velocidade da luz, que os físicos universalmente representam por um c minúsculo, foi feita por Ole Roemer em 1676. Ele baseou suas medições em observações das luas de Júpiter. Desde então, os físicos têm usado observações de estrelas, rodas dentadas, espelhos giratórios, interferômetros de rádio, ressonadores de cavidade e lasers para refinar a medição. Eles agora sabem
A velocidade da luz é uma constante universal, portanto, não há fórmula para a velocidade da luz,per se. Na verdade, secse fossem diferentes, todas as nossas medições teriam que mudar, porque o medidor é baseado nisso. A luz tem características de onda, no entanto, que incluem frequênciaνe comprimento de ondaλ, e você pode relacioná-los à velocidade da luz com esta equação, que você pode chamar de equação para a velocidade da luz:
c = \ nu \ lambda
Medindo a velocidade da luz a partir de observações astronômicas
Roemer foi a primeira pessoa a definir um número para a velocidade da luz. Ele fez isso enquanto observava os eclipses das luas de Júpiter, especificamente Io. Ele iria assistir Io desaparecer atrás do planeta gigante e então cronometrar quanto tempo levaria para reaparecer. Ele raciocinou que esse tempo poderia diferir em até 1.000 segundos, dependendo da proximidade de Júpiter da Terra. Ele apresentou um valor para a velocidade da luz de 214.000 km / s, que está no mesmo patamar do valor moderno de quase 300.000 km / s.
Em 1728, o astrônomo inglês James Bradley calculou a velocidade da luz observando as aberrações estelares, que é sua aparente mudança de posição devido ao movimento da Terra em torno do sol. Medindo o ângulo dessa mudança e subtraindo a velocidade da Terra, que ele poderia calcular a partir de dados conhecidos na época, Bradley chegou a um número muito mais preciso. Ele calculou a velocidade da luz no vácuo em 301.000 km / s.
Comparando a velocidade da luz no ar com a velocidade na água
A próxima pessoa a medir a velocidade da luz foi o filósofo francês Armand Hippolyte Fizeau, e ele não se baseou em observações astronômicas. Em vez disso, ele construiu um aparelho que consiste em um divisor de feixe, uma roda dentada giratória e um espelho colocado a 8 km da fonte de luz. Ele poderia ajustar a velocidade de rotação da roda para permitir que um feixe de luz passasse em direção ao espelho, mas bloquearia o feixe de retorno. Seu cálculo dec, que ele publicou em 1849, tinha 315.000 km / s, o que não era tão preciso quanto o de Bradley.
Um ano depois, Léon Foucault, um físico francês, aprimorou o experimento de Fizeau substituindo a roda dentada por um espelho giratório. O valor de Foucault para c foi de 298.000 km / s, que era mais preciso, e no processo Foucault fez uma descoberta importante. Ao inserir um tubo de água entre o espelho giratório e o estacionário, ele determinou que a velocidade da luz no ar é maior do que a velocidade na água. Isso era contrário ao que a teoria corpuscular da luz previa e ajudou a estabelecer que a luz é uma onda.
Em 1881, A. UMA. Michelson melhorou as medições de Foucault construindo um interferômetro, que foi capaz de compare as fases do feixe original e o de retorno e exiba um padrão de interferência em um tela. Seu resultado foi 299.853 km / s.
Michelson havia desenvolvido o interferômetro para detectar a presença doéter, uma substância fantasmagórica através da qual se pensava que as ondas de luz se propagavam. Seu experimento, conduzido com o físico Edward Morley, foi um fracasso e levou Einstein a concluir que a velocidade da luz é uma constante universal que é a mesma em todos os referenciais. Essa foi a base para a Teoria da Relatividade Especial.
Usando a Equação para a Velocidade da Luz
O valor de Michelson era o aceito até que ele mesmo melhorou em 1926. Desde então, o valor foi refinado por vários pesquisadores usando uma variedade de técnicas. Uma dessas técnicas é o método do ressonador de cavidade, que usa um dispositivo que gera corrente elétrica. Este é um método válido porque, após a publicação das equações de Maxwell em meados de 1800, os físicos concordamos que luz e eletricidade são fenômenos de ondas eletromagnéticas e viajam ao mesmo tempo Rapidez.
Na verdade, depois que Maxwell publicou suas equações, tornou-se possível medir c indiretamente, comparando a permeabilidade magnética e a permeabilidade elétrica do espaço livre. Dois pesquisadores, Rosa e Dorsey, fizeram isso em 1907 e calcularam a velocidade da luz em 299.788 km / s.
Em 1950, os físicos britânicos Louis Essen e A.C. Gordon-Smith usaram um ressonador de cavidade para calcular a velocidade da luz medindo seu comprimento de onda e frequência. A velocidade da luz é igual à distância que a luz viajaddividido pelo tempo que leva∆t: c = d / ∆t. Considere que o tempo para um único comprimento de ondaλpassar um ponto é o período da forma de onda, que é o recíproco da frequênciav, e você obtém a fórmula da velocidade da luz:
c = \ nu \ lambda
O dispositivo usado por Essen e Gordon-Smith é conhecido como ummedidor de onda de ressonância de cavidade. Ele gera uma corrente elétrica de uma frequência conhecida, e eles foram capazes de calcular o comprimento de onda medindo as dimensões do medidor de onda. Seus cálculos renderam 299.792 km / s, que foi a determinação mais precisa até o momento.
Um método de medição moderno usando lasers
Uma técnica de medição contemporânea ressuscita o método de divisão de feixe empregado por Fizeau e Foucault, mas usa lasers para melhorar a precisão. Neste método, um feixe de laser pulsado é dividido. Um feixe vai para um detector, enquanto outro viaja perpendicularmente a um espelho colocado a uma curta distância. O espelho reflete o feixe de volta para um segundo espelho, que o desvia para um segundo detector. Ambos os detectores são conectados a um osciloscópio, que registra a frequência dos pulsos.
Os picos dos pulsos do osciloscópio são separados porque o segundo feixe viaja uma distância maior do que o primeiro. Ao medir a separação dos picos e a distância entre os espelhos, é possível derivar a velocidade do feixe de luz. Esta é uma técnica simples e produz resultados bastante precisos. Um pesquisador da University of New South Wales, na Austrália, registrou um valor de 300.000 km / s.
Medir a velocidade da luz não faz mais sentido
O medidor usado pela comunidade científica é o medidor. Foi originalmente definido como sendo um décimo milionésimo da distância do equador ao Pólo Norte, e o a definição foi posteriormente alterada para ser um certo número de comprimentos de onda de uma das linhas de emissão do criptônio-86. Em 1983, o Conselho Geral de Pesos e Medidas descartou essas definições e adotou esta:
Ometroé a distância percorrida por um feixe de luz no vácuo em 1 / 299.792.458 de um segundo, onde o segundo é baseado no decaimento radioativo do átomo de césio-133.
Definir o metro em termos da velocidade da luz basicamente fixa a velocidade da luz em 299.792.458 m / s. Se um experimento produz um resultado diferente, isso significa apenas que o aparelho está com defeito. Em vez de conduzir mais experimentos para medir a velocidade da luz, os cientistas usam a velocidade da luz para calibrar seus equipamentos.
Usando a velocidade da luz para calibrar o aparelho experimental
A velocidade da luz aparece em uma variedade de contextos na física e é tecnicamente possível calculá-la a partir de outros dados medidos. Por exemplo, Planck demonstrou que a energia de um quantum, como um fóton, é igual à sua frequência vezes a constante de Planck (h), que é igual a 6,6262 x 10-34 Joule⋅second. Uma vez que a frequência éc / λ, A equação de Planck pode ser escrita em termos de comprimento de onda:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ implica c = \ frac {E \ lambda} {h}
Bombardeando uma placa fotoelétrica com luz de um comprimento de onda conhecido e medindo a energia dos elétrons ejetados, é possível obter um valor parac. Este tipo de calculadora de velocidade da luz não é necessário para medir c, no entanto, porquecédefiniramser o que é. No entanto, ele pode ser usado para testar o aparelho. SeEλ / hnão acaba sendo c, algo está errado com as medições da energia do elétron ou com o comprimento de onda da luz incidente.
A velocidade da luz no vácuo é uma constante universal
Faz sentido definir o medidor em termos da velocidade da luz no vácuo, uma vez que é a constante mais fundamental do universo. Einstein mostrou que é o mesmo para todos os pontos de referência, independentemente do movimento, e também é o mais rápido que qualquer coisa pode viajar no universo - pelo menos, qualquer coisa com massa. A equação de Einstein, e uma das equações mais famosas da física,E = mc2, fornece a pista de por que isso acontece.
Em sua forma mais reconhecível, a equação de Einstein se aplica apenas a corpos em repouso. A equação geral, no entanto, inclui oFator de Lorentz γ, Onde
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
Para um corpo em movimento com uma massame velocidadev, A equação de Einstein deve ser escritaE = mc2γ. Quando você olha para isso, você pode ver que quandov = 0, γ= 1 e você obtémE = mc2.
Porém, quandov = c, γtorna-se infinito, e a conclusão que você precisa tirar é que seria necessária uma quantidade infinita de energia para acelerar qualquer massa finita a essa velocidade. Outra maneira de ver isso é que a massa se torna infinita à velocidade da luz.
A definição atual do metro torna a velocidade da luz o padrão para medições terrestres de distância, mas há muito tempo é usado para medir distâncias no espaço. Um ano-luz é a distância que a luz viaja em um ano terrestre, que resulta em 9,46 × 1015 m.
Muitos metros são demais para compreender, mas um ano-luz é fácil de entender e, como a velocidade da luz é constante em todos os referenciais inerciais, é uma unidade confiável de distância. Tornou-se um pouco menos confiável por ser baseado no ano, que é um período de tempo que não teria relevância para ninguém de um planeta diferente.