Pergunte a Ethan: Qual é o problema com a velocidade da luz?
Não importa sua cor, comprimento de onda ou energia, a velocidade com que a luz viaja no vácuo é sempre a mesma. Isso é independente de posições ou direções no espaço e no tempo. Imagem de domínio público.
Três perguntas simples; uma história incrível que vai muito além de Einstein!
Cada raio de luz se move no sistema de coordenadas “em repouso” com a velocidade definida e constante V, independente de esse raio de luz ser emitido por um corpo em repouso ou por um corpo em movimento. – Albert Einstein, 1905
Nada no Universo pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo. 299.792.458 metros por segundo. Se você é uma partícula massiva, só pode se aproximar – mas nunca alcançar – essa velocidade; se você é uma partícula sem massa, você é compelido a sempre viajar exatamente nessa velocidade enquanto estiver viajando pelo espaço vazio. Mas como sabemos que isso é assim, e o que causa isso? Isso se deve à pergunta Ask Ethan desta semana, devido a Michael Carston, que tem três perguntas simples sobre a velocidade da luz:
Por que a velocidade da luz é finita? Por que a velocidade da luz é o que é? Por que não é mais rápido ou mais lento?
Até o século 19, não sabíamos que nada disso era verdade.
A ilustração da luz passando por um prisma dispersivo e se separando em cores claramente definidas. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Spigget, sob c.c.a.-s.a.-3.0.
Quando você passa a luz pela água, um prisma ou qualquer meio, ela se separa em suas várias cores. Os vermelhos se dobram em ângulos diferentes dos azuis, criando fenômenos como arco-íris. Mesmo fora do espectro visível, isso é visto; luz infravermelha e ultravioleta exibem esta mesma propriedade. Isso só é possível se a velocidade da luz em um meio for diferente para luz de diferentes comprimentos de onda/energias. Mas no vácuo, fora de qualquer mídia, toda a luz viaja na mesma velocidade finita.
A separação da luz em cores ocorre devido às diferentes velocidades que a luz viaja, de forma dependente do comprimento de onda, através da mídia. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons LucasVB.
Isso não foi percebido até meados de 1800, quando o físico James Clerk Maxwell mostrou o que a luz realmente é: uma onda eletromagnética. Maxwell, pela primeira vez, colocou os fenômenos independentes da eletrostática (cargas estacionárias), eletrodinâmica (cargas e correntes em movimento), magnetostática (campos magnéticos constantes) e magnetodinâmica (correntes induzidas e campos magnéticos variáveis) em uma única estrutura unificada. As equações que os governam – as equações de Maxwell – permitiram calcular um cenário muito simples: que tipos de campos e propriedades elétricos e magnéticos podem existir no espaço vazio sem fontes elétricas ou magnéticas? Sem cargas ou correntes, você pode pensar que não conseguiria nada, mas as equações de Maxwell provaram surpreendentemente o contrário.
As equações de Maxwell, em uma placa na parte traseira da estátua de Maxwell. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Impensustained sob c.c.a.-s.a.-3.0.
Nada é uma solução possível, mas também são possíveis campos elétricos e magnéticos oscilantes, em fase e mutuamente perpendiculares. Eles têm amplitudes específicas e bem definidas. eles têm energias definidas pela frequência de oscilação desses campos. E eles se movem a uma velocidade muito específica que é definida por duas constantes: ε_0 e µ_0, as duas constantes que definem as magnitudes das forças elétricas e magnéticas neste Universo, respectivamente. A equação que você obtém é de uma forma específica: uma onda. E como todas as ondas, tem uma velocidade: 1/√(ε_0 µ_0), que por acaso é c , a velocidade da luz no vácuo.
Os campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase que se propagam na velocidade da luz definem a radiação eletromagnética. Imagem de domínio público.
De uma perspectiva teórica, a luz é simplesmente radiação eletromagnética sem massa. Por causa do que ditam as leis do eletromagnetismo, ele deve se mover na velocidade da luz – 1/√(ε_0 µ_0), ou c — independentemente de quais sejam suas outras propriedades intrínsecas (energia, momento, comprimento de onda). ε_0 pode ser medido construindo e medindo um capacitor; µ_0 é definido exatamente a partir do Ampere, a unidade de corrente elétrica, levando a c . Essa mesma constante fundamental, derivada pela primeira vez por Maxwell em 1865, desde então apareceu em muitos outros lugares:
- É a velocidade de qualquer partícula ou onda sem massa, incluindo ondas gravitacionais.
- É a constante fundamental que relaciona seu movimento através do espaço ao seu movimento através do tempo na relatividade.
- E é a constante fundamental que relaciona a energia com a massa de repouso na equação, E = mc² .
As observações de Rømer forneceram a primeira medição da velocidade da luz usando a geometria do tempo que a luz leva para cruzar o diâmetro da órbita da Terra. A medição mais antiga data de 1675. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cmglee, sob c.c.a.-s.a.-3.0.
As primeiras medições desse valor real vieram de observações astronômicas. Quando as luas de Júpiter deslizam para dentro e para fora do eclipse, elas parecem ‘visíveis’ ou invisíveis em padrões/orientações particulares como visíveis da Terra de uma maneira que depende da velocidade da luz. Isso levou à primeira medição quantitativa de c , no século 17, que era então 2,2 × 10⁸ m/s. A aberração da luz das estrelas – do movimento de uma estrela e da Terra na qual o telescópio está montado – também pode ser quantificada. Em 1729, este método foi usado para medir c até 1,4% do seu valor presente. Até a década de 1970, c havia sido medido como 299.792.458 m/s com uma incerteza de menos de 0,0000002%, com a maior parte da incerteza devido à dificuldade de definir uma precisão perfeitamente segundo ou metro . Em 1983, o segundo e o metro foram ambos redefinidos em termos de c e as propriedades universais da radiação atômica. A velocidade da luz, portanto, agora é exatamente 299.792.458 m/s.
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: Medições ópticas multiponto da velocidade das partículas acústicas com velocimetria global Doppler modulada em frequência, A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013).
Então, por que a velocidade da luz não é mais rápida ou mais lenta que esse valor? É tão simples quanto o átomo acima. As transições atômicas ocorrem devido às propriedades quânticas fundamentais dadas aos blocos de construção da natureza. As interações de um núcleo atômico com os campos elétricos e magnéticos gerados pelos elétrons e o resto do átomo fazem com que alguns níveis de energia diferentes sejam extremamente próximos uns dos outros, mas ligeiramente diferentes: um fenômeno conhecido como divisão hiperfina . Em particular, a frequência de transição da estrutura hiperfina dos átomos de césio-133 resulta em luz de um comprimento de onda muito específico. Quando exatamente 9.192.631.770 ciclos dessa luz tiverem passado, esse tempo define um segundo; a distância que a luz percorreu define exatamente 299.792.458 metros; a velocidade com que a luz viaja define c .
Nesta ilustração, um fóton (roxo) carrega um milhão de vezes a energia de outro (amarelo). Os dados do Fermi em dois fótons de uma explosão de raios gama não mostram nenhum atraso de viagem, mostrando a velocidade da constância da luz na energia. Crédito da imagem: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.
Seria necessário algo fundamentalmente diferente sobre a natureza dessa transição ou a luz que vem dela para mudar a definição. Também nos ensina algo incrivelmente valioso: ver se a física atômica e as transições atômicas funcionavam de maneira diferente em épocas anteriores ou a grandes distâncias seria uma evidência da velocidade da luz mudando ao longo do tempo. Até agora, todas as medições que fizemos apenas impõem restrições sobre quão constante a velocidade da luz sempre foi, e as restrições são muito boas: menos de 7% de uma mudança no valor presente nos últimos 13,7 bilhões de anos. Se a velocidade da luz fosse não constante em qualquer uma dessas métricas, ou diferente entre os diferentes tipos de luz, isso levaria à maior revolução da física desde Einstein. Em vez disso, a evidência que temos aponta para um Universo onde as leis da física sempre foram as mesmas, em todos os locais, em todas as direções e em todos os momentos, incluindo a própria física da luz. À sua maneira, isso também é bastante revolucionário.
Envie suas perguntas e sugestões do Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com .
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