• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: A luz sempre se move na mesma velocidade?

Uma visão de vários comprimentos de onda do centro galáctico mostra estrelas, gás, radiação e buracos negros, entre outras fontes. Mas a luz que vem de todas essas fontes, dos raios gama ao visível e à luz de rádio, sempre se move na mesma velocidade pelo espaço vazio: a velocidade da luz no vácuo. Crédito da imagem: NASA/ESA/SSC/CXC/STScI.

A velocidade da luz é uma constante universal, mas isso não significa necessariamente que a luz sempre viaja nessa velocidade, não é?

Havia uma jovem chamada Bright,
Cuja velocidade era muito mais rápida que a da luz;
Ela partiu um dia
De forma relativa,
E voltou na noite anterior. – A. H. Reginald Butler

Não importa o quão rápido você vá, sempre há uma coisa que você nunca conseguirá pegar: luz. A velocidade da luz não é apenas a velocidade mais rápida que qualquer coisa no Universo pode viajar, é considerada uma constante universal. Quer acendamos uma lanterna, olhemos para a Lua ou o Sol, ou medimos uma galáxia a bilhões de anos-luz de distância, a velocidade da luz é a única coisa que nunca muda. Mas isso é realmente verdadeiro? É isso que Violet Brettschneider quer saber:

A luz sempre se move com a mesma velocidade? Se for desacelerado por alguma coisa, ele ficará mais lento depois que não estiver mais sendo desacelerado? Será que [ele] voltará à velocidade da luz?

Vamos começar com o que a luz é em um nível fundamental: uma partícula.

Os campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase que se propagam na velocidade da luz definem o que é a radiação eletromagnética. A menor unidade (ou quantum) de radiação eletromagnética é conhecida como fóton. Crédito da imagem: Imagem de domínio público.

Pode não parecer uma partícula quando você a vê vindo de uma fonte de luz como uma lâmpada, uma lanterna, um ponteiro laser ou mesmo o Sol, mas isso ocorre porque não estamos bem equipados para ver partículas individuais. Se usarmos fotodetectores eletrônicos em vez de nossos olhos, descobrimos que toda a luz do Universo é composta do mesmo tipo de partícula: o fóton. Tem algumas propriedades que são as mesmas entre todos os fótons:

• sua massa (que é 0),
• sua velocidade (que é sempre c , A velocidade da luz),
• seu spin (que é sempre 1, uma medida de seu momento angular intrínseco),

e um muito importante que varia: sua energia. A luz violeta tem a maior energia de qualquer fóton visível aos olhos humanos, enquanto a vermelha tem a menor energia de qualquer fóton visível. Em energias ainda mais baixas estão os fótons infravermelho, micro-ondas e rádio, enquanto os fótons ultravioleta, raios X e raios gama podem ser encontrados em energias mais altas.

As escalas de tamanho, comprimento de onda e temperatura/energia que correspondem a várias partes do espectro eletromagnético. Crédito da imagem: usuário da NASA e do Wikimedia Commons Inductionload.

Através do vácuo do espaço, não importa qual seja sua energia, eles sempre viajam na velocidade da luz. Não importa a rapidez com que você persegue ou corre em direção à luz; essa velocidade que você vê viajando será sempre a mesma. A coisa que muda, em vez de sua velocidade, será a energia da luz. Mova-se em direção à luz e ela parecerá mais azul, impulsionando-a para energias mais altas. Afaste-se dele e ele parecerá mais vermelho, deslocado para energias mais baixas. Mas nada disso, não importa como você se mova, como você faz a luz se mover ou como você altera a energia, fará com que a velocidade da luz mude. O fóton de energia mais alta e o fóton de energia mais baixa já observados viajam exatamente na mesma velocidade.

Todas as partículas sem massa viajam na velocidade da luz, incluindo o fóton, glúon e ondas gravitacionais, que carregam as interações eletromagnética, nuclear forte e gravitacional, respectivamente. Crédito da imagem: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.

Mas se você estiver disposto a sair do vácuo e entrar em um material, é possível diminuir a velocidade da luz. Qualquer material que seja transparente à luz fará com que esses fótons passem por ele, incluindo água, acrílico, cristais, vidro e até ar. Mas como há partículas carregadas nesses materiais – elétrons em particular – eles interagem com os fótons de tal forma que os desaceleram. A luz, mesmo sem carga, se comporta como uma onda. À medida que um fóton se move pelo espaço, ele exibe campos elétricos e magnéticos oscilantes e pode interagir com partículas carregadas. Essas interações diminuem a velocidade e fazem com que ela se mova a uma velocidade menor que a velocidade da luz, desde que estejam em um material.

O comportamento da luz branca ao passar por um prisma demonstra como a luz de diferentes energias se move em diferentes velocidades através de um meio, mas não através do vácuo. Crédito da imagem: Universidade de Iowa.

Diferentes fótons têm energias diferentes, o que também significa que seus campos elétricos e magnéticos oscilam em taxas diferentes. Embora a velocidade de todos os diferentes tipos de luz seja a mesma no vácuo, essas velocidades podem ser diferentes em qualquer tipo de meio. Faça brilhar a luz branca (composta de todas as cores) através de uma gota de água ou de um prisma, e os fótons mais energéticos desacelerarão ainda mais do que os menos energéticos, fazendo com que as cores se separem.

Os arco-íris primário (mais brilhante) e secundário (externo) são devidos à luz solar interagindo com gotículas de água, enquanto os arco-íris restantes surgem de reflexões adicionais na água abaixo. As cores se separam devido às diferentes velocidades da luz de fótons de diferentes energias através de um meio, neste caso, a água. Crédito da imagem: Terje O. Nordvik via NASA's Astronomy Picture of the Day.

É assim que a luz brilhando através de gotículas de água cria um arco-íris, porque fótons de diferentes energias interagem com as partículas carregadas em um meio (e desaceleram) em quantidades diferentes.

Múltiplas reflexões de luz dentro de uma gota de água resultam na separação da luz em vários ângulos, com a luz vermelha se movendo mais rápido e a luz violeta se movendo mais lentamente no meio da água. Crédito da imagem: Science Learning Hub / domínio público.

O que é importante lembrar, porém, em tudo isso, é que nada está mudando sobre a própria luz. Não está perdendo energia; não está mudando suas propriedades fundamentais e intrínsecas; não está se transformando em outra coisa. Tudo o que está mudando é o espaço ao seu redor. Quando essa luz sai do meio e volta ao vácuo, volta a se mover na velocidade da luz no vácuo: 299.792.458 metros por segundo. Na verdade, a própria definição que temos de distância e tempo – o que define um metro ou um segundo – vem da própria luz. Os átomos podem absorver ou emitir luz, dependendo de como os elétrons dentro de um átomo fazem a transição.

A transição atômica do orbital 6S, Delta_f1, é a transição que define o metro, o segundo e a velocidade da luz. Crédito da imagem: A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013).

O césio, o 55º elemento da tabela periódica, tem 55 elétrons em um único átomo estável e neutro. Os primeiros 54 elétrons normalmente vivem no estado de energia mais baixo, mas o 55º tem dois níveis de energia possíveis que podem ocupar que são extremamente próximos. Se ele transitar do um pouco mais alto para o um pouco mais baixo, essa energia vai para um fóton de uma energia muito particular e bem definida. Se você fizer 9.192.631.770 ciclos desse fóton, é assim que definimos um segundo. Se você calcular a distância percorrida em 30,663319 ciclos (que é 9.192.631.770 dividido por 299.792.458), obterá a definição de um metro.

Isso nos ensina algo fenomenalmente profundo: enquanto os átomos forem os mesmos em todo o Universo, nossas definições de tempo, comprimento e velocidade da luz nunca mudarão, não importa onde ou quando olhemos no Universo.

Não importa o quão longe olhemos para o Universo distante, a física que governa os átomos e, portanto, nossas definições de comprimento, tempo e velocidade da luz são exatamente as mesmas. Crédito de imagem: NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields.

Então, o que aprendemos, juntando tudo isso?

1. A luz, não importa quão alta ou baixa em energia, sempre se move na velocidade da luz, desde que esteja viajando através do vácuo do espaço vazio.
2. Nada que você faça ao seu próprio movimento ou ao movimento da luz mudará essa velocidade.
3. Ao passar essa luz para um meio sem vácuo, você pode alterar sua velocidade desde que esteja nesse meio.
4. A luz de energia diferente mudará sua velocidade em quantidades ligeiramente diferentes, dependendo das propriedades desse meio.
5. Uma vez que você deixa aquele meio e volta ao vácuo novamente, aquela luz volta a se mover na velocidade da luz.
6. E até onde sabemos e medimos, a velocidade da luz tem o mesmo valor de 299.792.458 m/s em todos os momentos e em todos os locais do Universo.

De muitas maneiras, a luz é a partícula mais simples do Universo. Mesmo que sempre se mova na velocidade da luz, nem sempre se move através do espaço completamente vazio. Enquanto houver matéria no Universo que seja transparente à luz, você não poderá evitar desacelerá-la. Mas assim que essa luz volta ao espaço vazio novamente, ela volta à velocidade da luz no vácuo, com cada fóton se movendo como se nunca tivesse se movido em nenhuma outra velocidade!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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