Velocidade da luz -Speed of light

Velocidade da luz
A distância do Sol à Terra é mostrada como 150 milhões de quilômetros, uma média aproximada.  Tamanhos à escala.
Em média, a luz solar leva cerca de 8  minutos e 17  segundos para viajar do Sol à Terra .
Valores exatos
metros por segundo 299 792 458
Valores aproximados (até três dígitos significativos)
quilômetros por hora 1 080 000 000
milhas por segundo 186.000 _
milhas por hora 671 000 000
unidades astronômicas por dia 173
parsecs por ano 0,307
Tempos aproximados de viagem do sinal de luz
Distância Tempo
um 1,0 ns
um metro 3,3 ns
da órbita geoestacionária para a Terra 119 ms
o comprimento do equador da Terra 134 ms
da Lua para a Terra 1,3 segundos
do Sol à Terra (1 UA ) 8,3 minutos
um ano-luz 1,0 ano
um parsec 3,26 anos
da estrela mais próxima ao Sol ( 1,3 pc ) 4,2 anos
da galáxia mais próxima da Terra 25.000  anos _
através da Via Láctea 100 000  anos
da Galáxia de Andrômeda à Terra 2,5 milhões de anos

A velocidade da luz no vácuo , comumente denotada por c , é uma constante física universal que é importante em muitas áreas da física . A velocidade da luz c é exatamente igual a299 792 458  metros por segundo (aproximadamente 300 000  km/s ou 186 000  mi/s). De acordo com a teoria da relatividade especial , c é o limite superior para a velocidade na qual a matéria ou energia convencional e, portanto, qualquer sinal que transporta informações , pode viajar pelo espaço .

Todas as formas de radiação eletromagnética , incluindo a luz visível , viajam na velocidade da luz. Para muitos propósitos práticos, a luz e outras ondas eletromagnéticas parecerão se propagar instantaneamente, mas para longas distâncias e medições muito sensíveis, sua velocidade finita tem efeitos perceptíveis. A luz das estrelas vista na Terra deixou as estrelas há muitos anos, permitindo que os humanos estudassem a história do universo observando objetos distantes. Ao se comunicar com sondas espaciais distantes , pode levar de minutos a horas para que os sinais viajem da Terra para a espaçonave e vice-versa. Na computação , a velocidade da luz corrige o atraso mínimo de comunicação entre computadores , a memória do computador e dentro de uma CPU . A velocidade da luz pode ser usada em medições de tempo de voo para medir grandes distâncias com precisão extremamente alta.

Ole Rømer demonstrou pela primeira vez em 1676 que a luz viaja a uma velocidade finita (não instantaneamente) estudando o movimento aparente da lua Io de Júpiter . Medidas progressivamente mais precisas de sua velocidade vieram nos séculos seguintes. Em um artigo publicado em 1865, James Clerk Maxwell propôs que a luz era uma onda eletromagnética e, portanto, viajava na velocidade c . Em 1905, Albert Einstein postulou que a velocidade da luz c em relação a qualquer referencial inercial é uma constante e independente do movimento da fonte de luz. Ele explorou as consequências desse postulado derivando a teoria da relatividade e, ao fazê-lo, mostrou que o parâmetro c tinha relevância fora do contexto da luz e do eletromagnetismo.

Partículas sem massa e perturbações de campo , como ondas gravitacionais, também viajam à velocidade c no vácuo. Tais partículas e ondas viajam em c independente do movimento da fonte ou do referencial inercial do observador . Partículas com massa de repouso diferente de zero podem ser aceleradas para se aproximar de c , mas nunca podem alcançá-lo, independentemente do referencial no qual sua velocidade é medida. Nas teorias da relatividade especial e geral , c inter -relaciona espaço e tempo , e também aparece na famosa equação de equivalência massa-energia , E = mc 2 .

Em alguns casos, objetos ou ondas podem parecer viajar mais rápido que a luz (por exemplo , velocidades de fase das ondas, o aparecimento de certos objetos astronômicos de alta velocidade e efeitos quânticos particulares ). Entende -se que a expansão do universo excede a velocidade da luz além de um certo limite .

A velocidade com que a luz se propaga através de materiais transparentes , como vidro ou ar, é menor que c ; da mesma forma, a velocidade das ondas eletromagnéticas em cabos de aço é mais lenta que c . A razão entre c e a velocidade v na qual a luz viaja em um material é chamada de índice de refração n do material ( n = c/v). Por exemplo, para a luz visível, o índice de refração do vidro é tipicamente em torno de 1,5, o que significa que a luz no vidro viaja ac/1,5200.000  km/s ( 124.000 mi / s  ) ; o índice de refração do ar para a luz visível é de cerca de 1,0003, de modo que a velocidade da luz no ar é cerca de 90 km/s (56 mi/s) mais lenta que c .

Valor numérico, notação e unidades

A velocidade da luz no vácuo é geralmente denotada por um c minúsculo , para "constante" ou o latim celeritas (que significa 'rapidez, celeridade'). Em 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usaram c para uma constante diferente que mais tarde se mostrou igual a 2 vezes a velocidade da luz no vácuo. Historicamente, o símbolo V foi usado como um símbolo alternativo para a velocidade da luz, introduzido por James Clerk Maxwell em 1865. Em 1894, Paul Drude redefiniu c com seu significado moderno. Einstein usou V em seus artigos originais em alemão sobre relatividade especial em 1905, mas em 1907 ele mudou para c , que até então se tornou o símbolo padrão para a velocidade da luz.

Às vezes , c é usado para a velocidade das ondas em qualquer meio material e c 0 para a velocidade da luz no vácuo. Esta notação subscrita, que é endossada na literatura oficial do SI, tem a mesma forma que as constantes eletromagnéticas relacionadas: a saber, μ 0 para a permeabilidade ao vácuo ou constante magnética, ε 0 para a permissividade do vácuo ou constante elétrica e Z 0 para a impedância de espaço livre . Este artigo usa c exclusivamente para a velocidade da luz no vácuo.

Uso em sistemas de unidade

Desde 1983, a constante c foi definida no Sistema Internacional de Unidades (SI) como exatamente 299 792 458  m/s ; essa relação é usada para definir o metro como exatamente a distância que a luz percorre no vácuo em 1299 792 458 de segundo. Usando o valor de c , bem como uma medida precisa dosegundo, pode-se estabelecer um padrão para o metro. Como umaconstante física dimensional, o valor numérico de c é diferente para diferentes sistemas de unidades. Por exemplo, emunidades imperiais, a velocidade da luz é aproximadamente186 282 milhas por segundo, ou cerca de 1 por nanossegundo.

Em ramos da física em que c aparece com frequência, como na relatividade, é comum usar sistemas de unidades naturais de medida ou o sistema de unidades geometrizadas onde c = 1 . Usando essas unidades, c não aparece explicitamente porque a multiplicação ou divisão por  1 não afeta o resultado. Sua unidade de segundo-luz por segundo ainda é relevante, mesmo se omitida.

Papel fundamental na física

A velocidade com que as ondas de luz se propagam no vácuo é independente tanto do movimento da fonte de onda quanto do referencial inercial do observador. Essa invariância da velocidade da luz foi postulada por Einstein em 1905, após ser motivada pela teoria do eletromagnetismo de Maxwell e pela falta de evidência do éter luminífero ; desde então tem sido consistentemente confirmado por muitos experimentos. Só é possível verificar experimentalmente que a velocidade bidirecional da luz (por exemplo, de uma fonte para um espelho e vice-versa) é independente do quadro, pois é impossível medir a velocidade unidirecional da luz (por exemplo , , de uma fonte para um detector distante) sem alguma convenção sobre como os relógios na fonte e no detector devem ser sincronizados. No entanto, ao adotar a sincronização de Einstein para os relógios, a velocidade da luz unidirecional torna-se igual à velocidade da luz nos dois sentidos por definição. A teoria da relatividade especial explora as consequências dessa invariância de c com a suposição de que as leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais. Uma consequência é que c é a velocidade na qual todas as partículas e ondas sem massa, incluindo a luz, devem viajar no vácuo.

γ começa em 1 quando v é igual a zero e permanece quase constante para v's pequenos, então ele se curva acentuadamente para cima e tem uma assíntota vertical, divergindo para infinito positivo quando v se aproxima de c.
O fator de Lorentz γ em função da velocidade. Ele começa em  1 e se aproxima do infinito quando v se aproxima  de c .

A relatividade especial tem muitas implicações contra-intuitivas e verificadas experimentalmente. Estes incluem a equivalência de massa e energia ( E = mc 2 ) , contração do comprimento (objetos em movimento encurtam) e dilatação do tempo (relógios em movimento funcionam mais lentamente). O fator  γ pelo qual os comprimentos se contraem e os tempos se dilatam é conhecido como fator de Lorentz e é dado por γ = (1 − v 2 / c 2 ) −1/2 , onde v é a velocidade do objeto. A diferença de γ de  1 é desprezível para velocidades muito mais lentas que  c , como a maioria das velocidades cotidianas – caso em que a relatividade especial é aproximada pela relatividade galileana  – mas aumenta em velocidades relativísticas e diverge ao infinito à medida que v se aproxima de c . Por exemplo, um fator de dilatação do tempo de γ  = 2 ocorre a uma velocidade relativa de 86,6% da velocidade da luz ( v  = 0,866  c ). Da mesma forma, um fator de dilatação do tempo de γ  = 10 ocorre a 99,5% da velocidade da luz ( v  = 0,995  c ).

Os resultados da relatividade especial podem ser resumidos tratando o espaço e o tempo como uma estrutura unificada conhecida como espaço -tempo (com  c relacionando as unidades de espaço e tempo), e exigindo que as teorias físicas satisfaçam uma simetria especial chamada invariância de Lorentz , cuja formulação matemática contém a parâmetro  c . A invariância de Lorentz é uma suposição quase universal para as teorias físicas modernas, como a eletrodinâmica quântica , a cromodinâmica quântica , o modelo padrão da física de partículas e a relatividade geral . Como tal, o parâmetro  c é onipresente na física moderna, aparecendo em muitos contextos que não estão relacionados à luz. Por exemplo, a relatividade geral prevê que  c também é a velocidade da gravidade e das ondas gravitacionais , e as observações das ondas gravitacionais foram consistentes com essa previsão. Em referenciais não inerciais (espaço-tempo curvo gravitacionalmente ou referenciais acelerados ), a velocidade local da luz é constante e igual a  c , mas a velocidade da luz ao longo de uma trajetória de comprimento finito pode diferir de  c , dependendo de como as distâncias e tempos são definidos.

É geralmente assumido que constantes fundamentais como  c têm o mesmo valor ao longo do espaço-tempo, o que significa que elas não dependem da localização e não variam com o tempo. No entanto, tem sido sugerido em várias teorias que a velocidade da luz pode ter mudado ao longo do tempo . Nenhuma evidência conclusiva para tais mudanças foi encontrada, mas elas continuam sendo objeto de pesquisas em andamento.

Também é geralmente assumido que a velocidade da luz é isotrópica , o que significa que tem o mesmo valor, independentemente da direção em que é medida. Observações das emissões de níveis de energia nuclear em função da orientação dos núcleos emissores em um campo magnético (ver experimento Hughes-Drever ), e de ressonadores ópticos rotativos (ver experimentos de ressonador ) colocaram limites rigorosos na possibilidade de duas vias. anisotropia .

Limite superior de velocidades

De acordo com a relatividade especial, a energia de um objeto com massa de repouso m e velocidade v é dada por γmc 2 , onde γ é o fator de Lorentz definido acima. Quando v é zero, γ é igual a um, dando origem à famosa fórmula E = mc 2 para equivalência massa-energia. O fator γ se aproxima do infinito quando v se aproxima  de c , e seria necessária uma quantidade infinita de energia para acelerar um objeto com massa até a velocidade da luz. A velocidade da luz é o limite superior para as velocidades de objetos com massa de repouso positiva, e fótons individuais não podem viajar mais rápido que a velocidade da luz. Isso é estabelecido experimentalmente em muitos testes de energia e momento relativísticos .

Três pares de eixos coordenados são representados com a mesma origem A;  no quadro verde, o eixo x é horizontal e o eixo ct é vertical;  no quadro vermelho, o eixo x′ está levemente inclinado para cima e o eixo ct′ levemente inclinado para a direita, em relação aos eixos verdes;  no quadro azul, o eixo x′′ está um pouco inclinado para baixo, e o eixo ct′′ um pouco inclinado para a esquerda, em relação aos eixos verdes.  Um ponto B no eixo x verde, à esquerda de A, tem zero ct, ct′ positivo e ct′′ negativo.
O evento A precede B no quadro vermelho, é simultâneo com B no quadro verde e segue B no quadro azul.

De maneira mais geral, é impossível que sinais ou energia viajem mais rápido que  c . Um argumento para isso decorre da implicação contra-intuitiva da relatividade especial conhecida como relatividade da simultaneidade . Se a distância espacial entre dois eventos A e B é maior que o intervalo de tempo entre eles multiplicado por  c então existem referenciais em que A precede B, outros em que B precede A e outros em que eles são simultâneos. Como resultado, se algo estivesse viajando mais rápido que  c em relação a um referencial inercial, estaria viajando para trás no tempo em relação a outro referencial, e a causalidade seria violada. Em tal quadro de referência, um "efeito" poderia ser observado antes de sua "causa". Tal violação da causalidade nunca foi registrada e levaria a paradoxos como o antitelefone taquiônico .

Observações e experimentos mais rápidos que a luz

Há situações em que pode parecer que a matéria, a energia ou o sinal portador de informação viaja a velocidades maiores que  c , mas isso não acontece. Por exemplo, como é discutido na propagação da luz em uma seção do meio abaixo, muitas velocidades de onda podem exceder  c . A velocidade de fase dos raios X através da maioria dos vidros pode rotineiramente exceder c , mas a velocidade de fase não determina a velocidade na qual as ondas transmitem informações.

Se um feixe de laser é varrido rapidamente por um objeto distante, o ponto de luz pode se mover mais rápido que  c , embora o movimento inicial do ponto seja atrasado devido ao tempo que a luz leva para chegar ao objeto distante na velocidade  c . No entanto, as únicas entidades físicas que estão em movimento são o laser e sua luz emitida, que viaja na velocidade  c do laser para as várias posições do ponto. Da mesma forma, uma sombra projetada em um objeto distante pode se mover mais rápido que  c , após um atraso no tempo. Em nenhum dos casos qualquer matéria, energia ou informação viaja mais rápido que a luz.

A taxa de variação da distância entre dois objetos em um referencial em relação ao qual ambos estão se movendo (sua velocidade de fechamento ) pode ter um valor superior a  c . No entanto, isso não representa a velocidade de um único objeto medido em um único quadro inercial.

Certos efeitos quânticos parecem ser transmitidos instantaneamente e, portanto, mais rápido que c , como no paradoxo EPR . Um exemplo envolve os estados quânticos de duas partículas que podem ser emaranhadas . Até que qualquer uma das partículas seja observada, elas existem em uma superposição de dois estados quânticos. Se as partículas são separadas e o estado quântico de uma partícula é observado, o estado quântico da outra partícula é determinado instantaneamente. No entanto, é impossível controlar qual estado quântico a primeira partícula assumirá quando for observada, de modo que a informação não pode ser transmitida dessa maneira.

Outro efeito quântico que prevê a ocorrência de velocidades mais rápidas que a luz é chamado de efeito Hartman : sob certas condições, o tempo necessário para uma partícula virtual atravessar uma barreira é constante, independentemente da espessura da barreira. Isso poderia resultar em uma partícula virtual cruzando uma grande lacuna mais rápido que a luz. No entanto, nenhuma informação pode ser enviada usando este efeito.

O chamado movimento superluminal é visto em certos objetos astronômicos, como os jatos relativísticos de radiogaláxias e quasares . No entanto, esses jatos não estão se movendo a velocidades superiores à velocidade da luz: o movimento superluminal aparente é um efeito de projeção causado por objetos que se movem perto da velocidade da luz e se aproximam da Terra em um pequeno ângulo em relação à linha de visão: uma vez que a luz que foi emitido quando o jato estava mais distante levou mais tempo para chegar à Terra, o tempo entre duas observações sucessivas corresponde a um tempo maior entre os instantes em que os raios de luz foram emitidos.

Um experimento de 2011 em que os neutrinos foram observados viajando mais rápido que a luz acabou sendo devido a um erro experimental.

Nos modelos do universo em expansão, quanto mais distantes as galáxias estão umas das outras, mais rápido elas se afastam. Este recuo não é devido ao movimento através do espaço, mas sim à expansão do próprio espaço. Por exemplo, galáxias distantes da Terra parecem estar se afastando da Terra com uma velocidade proporcional às suas distâncias. Além de um limite chamado esfera de Hubble , a taxa na qual sua distância da Terra aumenta torna-se maior que a velocidade da luz.

Propagação da luz

Na física clássica , a luz é descrita como um tipo de onda eletromagnética . O comportamento clássico do campo eletromagnético é descrito pelas equações de Maxwell , que predizem que a velocidade  c com que as ondas eletromagnéticas (como a luz) se propagam no vácuo está relacionada à capacitância e indutância distribuídas do vácuo, também conhecidas respectivamente como constante elétrica ε 0 e a constante magnética μ 0 , pela equação

Na física quântica moderna , o campo eletromagnético é descrito pela teoria da eletrodinâmica quântica (QED). Nesta teoria, a luz é descrita pelas excitações fundamentais (ou quanta) do campo eletromagnético, chamadas fótons . No QED, os fótons são partículas sem massa e, portanto, de acordo com a relatividade especial, eles viajam à velocidade da luz no vácuo.

Extensões de QED em que o fóton tem massa foram consideradas. Em tal teoria, sua velocidade dependeria de sua frequência, e a velocidade invariante  c da relatividade especial seria então o limite superior da velocidade da luz no vácuo. Nenhuma variação da velocidade da luz com frequência foi observada em testes rigorosos, colocando limites rigorosos na massa do fóton. O limite obtido depende do modelo utilizado: se o fóton massivo é descrito pela teoria Proca , o limite superior experimental para sua massa é de cerca de 10 −57 gramas ; se a massa do fóton é gerada por um mecanismo de Higgs , o limite superior experimental é menos nítido, m10 −14  eV/ c 2   (aproximadamente 2 × 10 −47  g).

Outra razão para a velocidade da luz variar com sua frequência seria o fracasso da relatividade especial em se aplicar a escalas arbitrariamente pequenas, como previsto por algumas teorias propostas da gravidade quântica . Em 2009, a observação da explosão de raios gama GRB 090510 não encontrou evidências de uma dependência da velocidade do fóton na energia, suportando restrições rígidas em modelos específicos de quantização do espaço-tempo sobre como essa velocidade é afetada pela energia do fóton para energias próximas à escala de Planck .

Em um meio

Em um meio, a luz geralmente não se propaga a uma velocidade igual a c ; além disso, diferentes tipos de ondas de luz viajarão em velocidades diferentes. A velocidade na qual as cristas e vales individuais de uma onda plana (uma onda que preenche todo o espaço, com apenas uma frequência ) se propagam é chamada de velocidade de fase  v p . Um sinal físico com uma extensão finita (um pulso de luz) viaja a uma velocidade diferente. O envelope global do pulso viaja na velocidade de grupo  v g , e sua primeira parte viaja na velocidade frontal  v f .

Uma onda modulada se move da esquerda para a direita.  Existem três pontos marcados com um ponto: um ponto azul em um nó da onda portadora, um ponto verde no máximo do envelope e um ponto vermelho na frente do envelope.
O ponto azul se move na velocidade das ondulações, a velocidade de fase; o ponto verde se move com a velocidade do envelope, a velocidade do grupo; e o ponto vermelho se move com a velocidade da parte mais avançada do pulso, a velocidade frontal.

A velocidade de fase é importante para determinar como uma onda de luz viaja através de um material ou de um material para outro. Muitas vezes é representado em termos de um índice de refração . O índice de refração de um material é definido como a razão de c para a velocidade de fase  v p no material: índices de refração maiores indicam velocidades mais baixas. O índice de refração de um material pode depender da frequência, intensidade, polarização ou direção de propagação da luz; em muitos casos, porém, pode ser tratado como uma constante dependente do material. O índice de refração do ar é de aproximadamente 1,0003. Meios mais densos, como água , vidro e diamante , têm índices de refração de cerca de 1,3, 1,5 e 2,4, respectivamente, para luz visível. Em materiais exóticos como os condensados ​​de Bose-Einstein perto do zero absoluto, a velocidade efetiva da luz pode ser de apenas alguns metros por segundo. No entanto, isso representa o atraso de absorção e re-radiação entre os átomos, assim como todas as velocidades mais lentas que c em substâncias materiais. Como um exemplo extremo de luz "desacelerando" na matéria, duas equipes independentes de físicos afirmaram levar a luz a uma "parada completa" passando-a através de um condensado de Bose-Einstein do elemento rubídio . No entanto, a descrição popular da luz sendo "parada" nesses experimentos refere-se apenas à luz sendo armazenada nos estados excitados dos átomos, então reemitida arbitrariamente mais tarde, estimulada por um segundo pulso de laser. Durante o tempo em que "parou", deixou de ser leve. Este tipo de comportamento é geralmente microscopicamente verdadeiro para todos os meios transparentes que "diminuem" a velocidade da luz.

Em materiais transparentes, o índice de refração geralmente é maior que 1, o que significa que a velocidade de fase é menor que c . Em outros materiais, é possível que o índice de refração se torne menor que  1 para algumas frequências; em alguns materiais exóticos é até possível que o índice de refração se torne negativo. A exigência de que a causalidade não seja violada implica que as partes real e imaginária da constante dielétrica de qualquer material, correspondendo respectivamente ao índice de refração e ao coeficiente de atenuação , sejam ligadas pelas relações de Kramers-Kronig . Em termos práticos, isso significa que em um material com índice de refração menor que 1, a onda será absorvida rapidamente.

Um pulso com diferentes velocidades de grupo e de fase (o que ocorre se a velocidade de fase não for a mesma para todas as frequências do pulso) se espalha ao longo do tempo, um processo conhecido como dispersão . Certos materiais têm uma velocidade de grupo excepcionalmente baixa (ou mesmo zero) para ondas de luz, um fenômeno chamado luz lenta . O oposto, velocidades de grupo superiores a c , foi proposto teoricamente em 1993 e alcançado experimentalmente em 2000. Deveria até ser possível que a velocidade de grupo se tornasse infinita ou negativa, com pulsos viajando instantaneamente ou para trás no tempo.

Nenhuma dessas opções, no entanto, permite que as informações sejam transmitidas mais rapidamente que c . É impossível transmitir informações com um pulso de luz mais rápido do que a velocidade da primeira parte do pulso (a velocidade frontal). Pode-se mostrar que este é (sob certas suposições) sempre igual a c .

É possível que uma partícula viaje através de um meio mais rápido que a velocidade de fase da luz naquele meio (mas ainda mais lento que c ). Quando uma partícula carregada faz isso em um material dielétrico , o equivalente eletromagnético de uma onda de choque , conhecido como radiação Cherenkov , é emitido.

Efeitos práticos da finitude

A velocidade da luz é relevante para as comunicações : o tempo de atraso unidirecional e de ida e volta são maiores que zero. Isso se aplica de escalas pequenas a astronômicas. Por outro lado, algumas técnicas dependem da velocidade finita da luz, por exemplo, em medições de distância.

Pequenas escalas

Em supercomputadores , a velocidade da luz impõe um limite na rapidez com que os dados podem ser enviados entre os processadores . Se um processador opera a 1 gigahertz , um sinal pode viajar apenas no máximo cerca de 30 centímetros (1 pé) em um único ciclo de clock — na prática, essa distância é ainda menor, pois a própria placa de circuito impresso tem um índice de refração e diminui a velocidade sinais. Os processadores devem, portanto, ser colocados próximos uns dos outros, assim como os chips de memória , para minimizar as latências de comunicação. Se as frequências de clock continuarem a aumentar, a velocidade da luz acabará se tornando um fator limitante para o design interno de chips únicos .  

Grandes distâncias na Terra

Dado que a circunferência equatorial da Terra é aproximadamente40 075  km e que c é cerca de300 000  km/s , o tempo teórico mais curto para uma informação viajar metade do globo ao longo da superfície é de cerca de 67 milissegundos. Quando a luz está viajando em fibra óptica (um material transparente ), o tempo de trânsito real é maior, em parte porque a velocidade da luz é mais lenta em cerca de 35% na fibra óptica, dependendo de seu índice de refração n . Além disso, linhas retas são raras em comunicações globais e o tempo de viagem aumenta quando os sinais passam por interruptores eletrônicos ou regeneradores de sinal.

Embora essa distância seja amplamente irrelevante para a maioria dos aplicativos, a latência se torna importante em campos como negociação de alta frequência , onde os traders buscam obter vantagens minuciosas entregando seus negócios às bolsas frações de segundo à frente de outros traders. Por exemplo, os comerciantes estão mudando para comunicações de micro -ondas entre os centros de negociação, devido à vantagem que as ondas de rádio que viajam perto da velocidade da luz através do ar têm sobre os sinais de fibra óptica comparativamente mais lentos.

Voo espacial e astronomia

O diâmetro da lua é cerca de um quarto do da Terra, e sua distância é cerca de trinta vezes o diâmetro da Terra.  Um feixe de luz parte da Terra e atinge a Lua em cerca de um segundo e um quarto.
Um feixe de luz é representado viajando entre a Terra e a Lua no tempo que leva um pulso de luz para se mover entre eles: 1,255 segundos em sua distância orbital média (superfície-superfície). Os tamanhos relativos e a separação do sistema Terra-Lua são mostrados em escala.

Da mesma forma, as comunicações entre a Terra e a espaçonave não são instantâneas. Há um breve atraso da fonte para o receptor, que se torna mais perceptível à medida que as distâncias aumentam. Esse atraso foi significativo para as comunicações entre o controle de solo e a Apollo 8 quando se tornou a primeira espaçonave tripulada a orbitar a Lua: para cada pergunta, a estação de controle de solo tinha que esperar pelo menos três segundos para que a resposta chegasse. O atraso nas comunicações entre a Terra e Marte pode variar entre cinco e vinte minutos, dependendo das posições relativas dos dois planetas. Como consequência disso, se um robô na superfície de Marte encontrasse um problema, seus controladores humanos não estariam cientes disso até 5 a 20 minutos depois. Levaria então mais 5 a 20 minutos para os comandos viajarem da Terra para Marte.

Receber luz e outros sinais de fontes astronômicas distantes leva muito mais tempo. Por exemplo, são necessários 13 bilhões (13 × 109 ) anos para a luz viajar para a Terra a partir de galáxias distantes vistas nas imagens do Hubble Ultra Deep Field . Essas fotografias, tiradas hoje, capturam imagens das galáxias como elas apareceram há 13 bilhões de anos, quando o universo tinha menos de um bilhão de anos. O fato de objetos mais distantes parecerem mais jovens, devido à velocidade finita da luz, permite aos astrônomos inferir a evolução das estrelas , das galáxias e do próprio universo .

As distâncias astronômicas às vezes são expressas em anos-luz , especialmente em publicações e mídias científicas populares . Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano juliano , cerca de 9461 bilhões de quilômetros, 5879 bilhões de milhas ou 0,3066 parsecs . Em números redondos, um ano-luz é quase 10 trilhões de quilômetros ou quase 6 trilhões de milhas. Proxima Centauri , a estrela mais próxima da Terra depois do Sol, está a cerca de 4,2 anos-luz de distância.

Medição de distância

Os sistemas de radar medem a distância até um alvo pelo tempo que um pulso de onda de rádio leva para retornar à antena do radar após ser refletido pelo alvo: a distância até o alvo é metade do tempo de trânsito de ida e volta multiplicado pela velocidade da luz . Um receptor do Sistema de Posicionamento Global (GPS) mede sua distância até os satélites GPS com base em quanto tempo leva para um sinal de rádio chegar de cada satélite e, a partir dessas distâncias, calcula a posição do receptor. Porque a luz viaja300 000  quilómetros (186 000  mi ) em um segundo, essas medições de pequenas frações de segundo devem ser muito precisas. O Lunar Laser Ranging Experiment , a astronomia de radar e a Deep Space Network determinam as distâncias da Lua, planetas e naves espaciais, respectivamente, medindo os tempos de trânsito de ida e volta.

Medição

Existem diferentes maneiras de determinar o valor de c . Uma maneira é medir a velocidade real na qual as ondas de luz se propagam, o que pode ser feito em várias configurações astronômicas e terrestres. No entanto, também é possível determinar c a partir de outras leis físicas onde ele aparece, por exemplo, determinando os valores das constantes eletromagnéticas ε 0 e μ 0 e usando sua relação com c . Historicamente, os resultados mais precisos foram obtidos determinando separadamente a frequência e o comprimento de onda de um feixe de luz, com seu produto igual a c . Isso é descrito com mais detalhes na seção "Interferometria" abaixo.

Em 1983 o metro foi definido como "o comprimento do caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1299 792 458 de segundo", fixando o valor da velocidade da luz em299 792 458  m/s por definição, conforme descrito abaixo . Conseqüentemente, medições precisas da velocidade da luz produzem uma percepção precisa do medidor em vez de um valor preciso de c .

Medições astronômicas

Medição da velocidade da luz usando o eclipse de Io por Júpiter

O espaço sideral é uma configuração conveniente para medir a velocidade da luz devido à sua grande escala e vácuo quase perfeito . Normalmente, mede-se o tempo necessário para que a luz atravesse alguma distância de referência no Sistema Solar , como o raio da órbita da Terra. Historicamente, tais medições podem ser feitas com bastante precisão, em comparação com a precisão com que o comprimento da distância de referência é conhecido em unidades baseadas na Terra.

Ole Christensen Rømer usou uma medida astronômica para fazer a primeira estimativa quantitativa da velocidade da luz no ano de 1676. Quando medido da Terra, os períodos das luas orbitando um planeta distante são mais curtos quando a Terra está se aproximando do planeta do que quando a Terra está afastando-se dele. A distância percorrida pela luz do planeta (ou sua lua) à Terra é menor quando a Terra está no ponto de sua órbita mais próximo de seu planeta do que quando a Terra está no ponto mais distante de sua órbita, a diferença de distância sendo o diâmetro da órbita da Terra em torno do Sol. A mudança observada no período orbital da lua é causada pela diferença no tempo que a luz leva para percorrer a distância mais curta ou mais longa. Rømer observou esse efeito para a lua mais interna de Júpiter , Io , e deduziu que a luz leva 22 minutos para cruzar o diâmetro da órbita da Terra.

Uma estrela emite um raio de luz que atinge a objetiva de um telescópio.  Enquanto a luz desce pelo telescópio até a ocular, o telescópio se move para a direita.  Para que a luz permaneça dentro do telescópio, o telescópio deve ser inclinado para a direita, fazendo com que a fonte distante apareça em um local diferente à direita.
Aberração da luz: a luz de uma fonte distante parece ser de um local diferente para um telescópio em movimento devido à velocidade finita da luz.

Outro método é usar a aberração da luz , descoberta e explicada por James Bradley no século XVIII. Este efeito resulta da soma vetorial da velocidade da luz que chega de uma fonte distante (como uma estrela) e a velocidade de seu observador (veja o diagrama à direita). Assim, um observador em movimento vê a luz vindo de uma direção ligeiramente diferente e, consequentemente, vê a fonte em uma posição deslocada de sua posição original. Como a direção da velocidade da Terra muda continuamente à medida que a Terra orbita o Sol, esse efeito faz com que a posição aparente das estrelas se mova. A partir da diferença angular na posição das estrelas (no máximo 20,5 segundos de arco ) é possível expressar a velocidade da luz em termos da velocidade da Terra em torno do Sol, que com a duração conhecida de um ano pode ser convertida no tempo necessário para viajar do Sol à Terra. Em 1729, Bradley usou esse método para derivar que a luz viajava10 210 vezes mais rápido que a Terra em sua órbita (a figura moderna é10 066 vezes mais rápido) ou, equivalentemente, que levaria 8 minutos e 12 segundos para a luz viajar do Sol à Terra.

Unidade astronômica

Uma unidade astronômica (UA) é aproximadamente a distância média entre a Terra e o Sol. Foi redefinido em 2012 como exatamente149 597 870 700  m . Anteriormente, a UA não se baseava no Sistema Internacional de Unidades , mas em termos da força gravitacional exercida pelo Sol no quadro da mecânica clássica. A definição atual usa o valor recomendado em metros para a definição anterior da unidade astronômica, que foi determinada por medição. Esta redefinição é análoga à do metro e também tem o efeito de fixar a velocidade da luz em um valor exato em unidades astronômicas por segundo (através da velocidade exata da luz em metros por segundo).

Anteriormente, o inverso de  c expresso em segundos por unidade astronômica era medido comparando o tempo para que os sinais de rádio chegassem a diferentes naves espaciais do Sistema Solar, com sua posição calculada a partir dos efeitos gravitacionais do Sol e de vários planetas. Combinando muitas dessas medidas, um valor de melhor ajuste para o tempo de luz por unidade de distância pode ser obtido. Por exemplo, em 2009, a melhor estimativa, conforme aprovada pela União Astronômica Internacional (IAU), foi:

tempo de luz para unidade de distância: t au  = 499.004 783 836 (10) s
c  = 0,002 003 988 804 10 (4) AU/s  = 173.144 632 674 (3) UA/dia.

A incerteza relativa nessas medições é de 0,02 partes por bilhão (2 × 10 −11 ), equivalente à incerteza em medições terrestres de comprimento por interferometria. Como o metro é definido como o comprimento percorrido pela luz em um determinado intervalo de tempo, a medição do tempo de luz em termos da definição anterior da unidade astronômica também pode ser interpretada como a medição do comprimento de uma UA (antiga definição) em metros.

Técnicas de tempo de voo

Uma das últimas e mais precisas medições de tempo de voo, o experimento de Michelson, Pease e Pearson de 1930-35 usou um espelho giratório e uma câmara de vácuo de uma milha (1,6 km) de comprimento que o feixe de luz atravessou 10 vezes. Atingiu a precisão de ±11 km/s.
Um raio de luz passa horizontalmente por um meio-espelho e uma roda dentada giratória, é refletido de volta por um espelho, passa pela roda dentada e é refletido pelo meio-espelho em um monóculo.
Diagrama do aparelho de Fizeau

Um método para medir a velocidade da luz é medir o tempo necessário para a luz viajar até um espelho a uma distância conhecida e voltar. Esse é o princípio de funcionamento do aparato de Fizeau-Foucault desenvolvido por Hippolyte Fizeau e Léon Foucault , a partir de uma sugestão de François Arago .

A configuração usada por Fizeau consiste em um feixe de luz direcionado a um espelho a 8 quilômetros (5 milhas) de distância. No caminho da fonte para o espelho, o feixe passa por uma roda dentada giratória. A uma certa taxa de rotação, o feixe passa por uma fenda na saída e outra na volta, mas em taxas ligeiramente maiores ou menores, o feixe atinge um dente e não passa pela roda. Conhecendo a distância entre a roda e o espelho, o número de dentes na roda e a taxa de rotação, a velocidade da luz pode ser calculada.

O método de Foucault substitui a roda dentada por um espelho giratório. Como o espelho continua girando enquanto a luz viaja para o espelho distante e volta, a luz é refletida do espelho giratório em um ângulo diferente na saída do que na volta. A partir desta diferença de ângulo, a velocidade de rotação conhecida e a distância ao espelho distante a velocidade da luz podem ser calculadas.

Hoje, usando osciloscópios com resoluções de tempo de menos de um nanossegundo, a velocidade da luz pode ser medida diretamente cronometrando o atraso de um pulso de luz de um laser ou de um LED refletido em um espelho. Esse método é menos preciso (com erros da ordem de 1%) do que outras técnicas modernas, mas às vezes é usado como experimento de laboratório nas aulas de física da faculdade.

Constantes eletromagnéticas

Uma opção para derivar c que não depende diretamente de uma medida da propagação de ondas eletromagnéticas é usar a relação entre c e a permissividade ao vácuo ε 0 e a permeabilidade ao vácuo μ 0 estabelecida pela teoria de Maxwell: c 2  = 1/( ε 0 µ0 ) . A permissividade do vácuo pode ser determinada medindo a capacitância e as dimensões de um capacitor , enquanto o valor da permeabilidade ao vácuo foi historicamente fixado exatamente em× 10 −7  H⋅m −1 através da definição do ampere . Rosa e Dorsey usaram esse método em 1907 para encontrar um valor de299 710 ± 22 km/s . Seu método dependia de ter uma unidade padrão de resistência elétrica, o " ohm internacional ", e assim sua precisão era limitada pela forma como esse padrão era definido.

Ressonância da cavidade

Uma caixa com três ondas;  há um comprimento de onda e meio da onda superior, um do meio e metade do inferior.
Ondas estacionárias eletromagnéticas em uma cavidade

Outra maneira de medir a velocidade da luz é medir independentemente a frequência f e o comprimento de onda λ de uma onda eletromagnética no vácuo. O valor de c pode então ser encontrado usando a relação c  =  . Uma opção é medir a frequência de ressonância de um ressonador de cavidade . Se as dimensões da cavidade de ressonância também forem conhecidas, elas podem ser usadas para determinar o comprimento de onda da onda. Em 1946, Louis Essen e AC Gordon-Smith estabeleceram a frequência para uma variedade de modos normais de micro-ondas de uma cavidade de micro-ondas de dimensões precisamente conhecidas. As dimensões foram estabelecidas com uma precisão de cerca de ±0,8 μm usando medidores calibrados por interferometria. Como o comprimento de onda dos modos era conhecido pela geometria da cavidade e pela teoria eletromagnética , o conhecimento das frequências associadas permitiu o cálculo da velocidade da luz.

O resultado de Essen-Gordon-Smith,299 792 ± 9 km/s , foi substancialmente mais preciso do que os encontrados por técnicas ópticas. Em 1950, medições repetidas por Essen estabeleceram um resultado de299 792 , 5 ± 3,0 km/s .

Uma demonstração doméstica dessa técnica é possível, usando um forno de micro-ondas e alimentos como marshmallows ou margarina: se o prato giratório for removido para que o alimento não se mova, ele cozinhará mais rapidamente nos antinodos (os pontos em que a amplitude da onda é o maior), onde começará a derreter. A distância entre dois desses pontos é metade do comprimento de onda das microondas; medindo essa distância e multiplicando o comprimento de onda pela frequência de micro-ondas (geralmente exibida na parte de trás do forno, normalmente 2450 MHz), o valor de c pode ser calculado, "muitas vezes com menos de 5% de erro".

Interferometria

Esquema do funcionamento de um interferômetro de Michelson.
Uma determinação interferométrica de comprimento. Esquerda: interferência construtiva ; Direita: interferência destrutiva .

A interferometria é outro método para encontrar o comprimento de onda da radiação eletromagnética para determinar a velocidade da luz. Um feixe de luz coerente (por exemplo, de um laser ), com uma frequência conhecida ( f ), é dividido para seguir dois caminhos e depois recombinado. Ajustando o comprimento do caminho enquanto observa o padrão de interferência e medindo cuidadosamente a mudança no comprimento do caminho, o comprimento de onda da luz ( λ ) pode ser determinado. A velocidade da luz é então calculada usando a equação  c  =  λf .

Antes do advento da tecnologia laser, fontes de rádio coerentes eram usadas para medições de interferometria da velocidade da luz. No entanto, a determinação interferométrica do comprimento de onda torna-se menos precisa com o comprimento de onda e os experimentos foram, portanto, limitados em precisão pelo comprimento de onda longo (~4 mm (0,16 pol)) das ondas de rádio. A precisão pode ser melhorada usando luz com um comprimento de onda mais curto, mas torna-se difícil medir diretamente a frequência da luz. Uma maneira de contornar esse problema é começar com um sinal de baixa frequência cuja frequência pode ser medida com precisão e, a partir desse sinal, sintetizar progressivamente sinais de frequência mais alta, cuja frequência pode ser ligada ao sinal original. Um laser pode então ser bloqueado para a frequência e seu comprimento de onda pode ser determinado usando interferometria. Esta técnica deveu-se a um grupo do National Bureau of Standards (que mais tarde se tornou o National Institute of Standards and Technology ). Eles o usaram em 1972 para medir a velocidade da luz no vácuo com uma incerteza fracionária de3,5 × 10 −9 .

História

Histórico de medições de  c (em km/s)
<1638 Galileu , lanternas cobertas inconclusivo
<1667 Accademia del Cimento , lanternas cobertas inconclusivo
1675 Rømer  e  Huygens , luas de Júpiter 220.000 _ -27% de erro
1729 James Bradley , aberração da luz 301.000 _ +0,40% de erro
1849 Hippolyte Fizeau , roda dentada 315.000 _ +5,1% de erro
1862 Léon Foucault , espelho giratório 298 000 ± 500 -0,60% de erro
1907 Rosa e Dorsey,  constantes EM 299 710 ± 30 −280 ppm de erro
1926 Albert A. Michelson , espelho giratório 299 796 ± 4 +12 ppm de erro
1950 Essen e Gordon-Smith , ressonador de cavidade 299 792 , 5 ± 3,0 +0,14 ppm de erro
1958 KD Froome, radiointerferometria 299 792 , 50 ± 0,10 +0,14 ppm de erro
1972 Evenson  et ai. , interferometria a laser 299 792 , 4562 ± 0,0011 -0,006 ppm de erro
1983 17ª CGPM, definição do medidor 299 792 .458  (exato) exato, conforme definido

Até o início do período moderno , não se sabia se a luz viajava instantaneamente ou a uma velocidade finita muito rápida. O primeiro exame registrado existente deste assunto foi na Grécia antiga . Os antigos gregos, estudiosos árabes e cientistas europeus clássicos debateram isso por muito tempo até que Rømer forneceu o primeiro cálculo da velocidade da luz. A Teoria da Relatividade Especial de Einstein concluiu que a velocidade da luz é constante, independentemente do referencial. Desde então, os cientistas forneceram medições cada vez mais precisas.

História antiga

Empédocles (c. 490-430 aC) foi o primeiro a propor uma teoria da luz e afirmou que a luz tem uma velocidade finita. Ele sustentava que a luz era algo em movimento e, portanto, deveria levar algum tempo para viajar. Aristóteles argumentou, ao contrário, que "a luz se deve à presença de algo, mas não é um movimento". Euclides e Ptolomeu avançaram a teoria de emissão da visão de Empédocles, onde a luz é emitida do olho, permitindo assim a visão. Com base nessa teoria, Heron de Alexandria argumentou que a velocidade da luz deve ser infinita porque objetos distantes, como estrelas, aparecem imediatamente ao abrir os olhos. Os primeiros filósofos islâmicos concordaram inicialmente com a visão aristotélica de que a luz não tinha velocidade de viagem. Em 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicou o Book of Optics , no qual apresentou uma série de argumentos rejeitando a teoria da emissão da visão em favor da teoria da intromissão agora aceita, na qual a luz se move de um objeto para o olho. Isso levou Alhazen a propor que a luz deve ter uma velocidade finita, e que a velocidade da luz é variável, diminuindo em corpos mais densos. Ele argumentou que a luz é matéria substancial, cuja propagação requer tempo, mesmo que isso esteja oculto aos sentidos. Também no século 11, Abū Rayhān al-Bīrūnī concordou que a luz tem uma velocidade finita e observou que a velocidade da luz é muito mais rápida que a velocidade do som.

No século 13, Roger Bacon argumentou que a velocidade da luz no ar não era infinita, usando argumentos filosóficos apoiados pelos escritos de Alhazen e Aristóteles. Na década de 1270, Witelo considerou a possibilidade de a luz viajar em velocidade infinita no vácuo, mas desacelerando em corpos mais densos.

No início do século XVII, Johannes Kepler acreditava que a velocidade da luz era infinita, já que o espaço vazio não representava nenhum obstáculo para ela. René Descartes argumentou que se a velocidade da luz fosse finita, o Sol, a Terra e a Lua estariam visivelmente desalinhados durante um eclipse lunar . (Embora este argumento falhe quando a aberração da luz é levada em conta, esta não foi reconhecida até o século seguinte.) Como tal desalinhamento não havia sido observado, Descartes concluiu que a velocidade da luz era infinita. Descartes especulou que se a velocidade da luz fosse finita, todo o seu sistema de filosofia poderia ser demolido. Apesar disso, em sua derivação da lei de Snell , Descartes assumiu que algum tipo de movimento associado à luz era mais rápido em meios mais densos. Pierre de Fermat derivou a lei de Snell usando a suposição oposta, quanto mais denso o meio, mais lenta a luz viajava. Fermat também argumentou em favor de uma velocidade finita da luz.

Primeiras tentativas de medição

Em 1629, Isaac Beeckman propôs um experimento no qual uma pessoa observa o flash de um canhão refletindo em um espelho a cerca de 1,6 km de distância. Em 1638, Galileu Galilei propôs um experimento, com a aparente alegação de tê-lo realizado alguns anos antes, para medir a velocidade da luz observando o atraso entre a descoberta de uma lanterna e sua percepção a alguma distância. Ele foi incapaz de distinguir se a viagem da luz era instantânea ou não, mas concluiu que, se não fosse, deveria ser extraordinariamente rápida. Em 1667, a Accademia del Cimento de Florença informou que havia realizado o experimento de Galileu, com as lanternas separadas por cerca de uma milha, mas nenhum atraso foi observado. O atraso real neste experimento teria sido de cerca de 11 microssegundos .

Um diagrama da órbita de um planeta em torno do Sol e da órbita de uma lua em torno de outro planeta.  A sombra do último planeta está sombreada.
Observações de Rømer das ocultações de Io da Terra

A primeira estimativa quantitativa da velocidade da luz foi feita em 1676 por Ole Rømer. A partir da observação de que os períodos da lua mais interna de Júpiter, Io , pareciam ser mais curtos quando a Terra se aproximava de Júpiter do que quando se afastava dele, ele concluiu que a luz viaja a uma velocidade finita e estimou que a luz leva 22 minutos para cruzar o diâmetro de Júpiter. A órbita da Terra. Christiaan Huygens combinou esta estimativa com uma estimativa do diâmetro da órbita da Terra para obter uma estimativa da velocidade da luz de220 000  km/s , que é 27% inferior ao valor real.

Em seu livro Opticks de 1704 , Isaac Newton relatou os cálculos de Rømer da velocidade finita da luz e deu um valor de "sete ou oito minutos" para o tempo necessário para a luz viajar do Sol à Terra (o valor moderno é 8 minutos 19 segundos). Newton perguntou se as sombras do eclipse de Rømer eram coloridas; ouvindo que não eram, concluiu que as diferentes cores viajavam na mesma velocidade. Em 1729, James Bradley descobriu a aberração estelar . A partir desse efeito, ele determinou que a luz deve viajar 10.210 vezes mais rápido que a Terra em sua órbita (o número moderno é 10.066 vezes mais rápido) ou, equivalentemente, que levaria 8 minutos e 12 segundos para viajar do Sol à Terra.

Conexões com eletromagnetismo

No século 19 Hippolyte Fizeau desenvolveu um método para determinar a velocidade da luz com base em medições de tempo de voo na Terra e relatou um valor de315.000 km  /s . Seu método foi aperfeiçoado por Léon Foucault que obteve um valor de298 000  km/s em 1862. No ano de 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch mediram a razão entre as unidades de carga eletromagnética e eletrostática, 1/ ε 0 μ 0 , descarregando uma garrafa de Leyden , e descobriram que sua O valor estava muito próximo da velocidade da luz medida diretamente por Fizeau. No ano seguinte, Gustav Kirchhoff calculou que um sinal elétrico em um fio sem resistência viaja ao longo do fio a essa velocidade. No início da década de 1860, Maxwell mostrou que, de acordo com a teoria do eletromagnetismo em que estava trabalhando, as ondas eletromagnéticas se propagam no espaço vazio a uma velocidade igual à razão Weber/Kohlrausch acima, e chamando a atenção para a proximidade numérica desse valor com o velocidade da luz medida por Fizeau, ele propôs que a luz é de fato uma onda eletromagnética.

"Éter Luminífero"

Hendrik Lorentz (à direita) com Albert Einstein (1921)

Pensava-se na época que o espaço vazio era preenchido com um meio de fundo chamado éter luminífero no qual o campo eletromagnético existia. Alguns físicos pensavam que esse éter atuava como um referencial preferencial para a propagação da luz e, portanto, deveria ser possível medir o movimento da Terra em relação a esse meio, medindo a isotropia da velocidade da luz. A partir da década de 1880, vários experimentos foram realizados para tentar detectar esse movimento, o mais famoso deles é o experimento realizado por Albert A. Michelson e Edward W. Morley em 1887. O movimento detectado foi sempre menor que o erro observacional. Experimentos modernos indicam que a velocidade bidirecional da luz é isotrópica (a mesma em todas as direções) dentro de 6 nanômetros por segundo.

Por causa desse experimento, Hendrik Lorentz propôs que o movimento do aparelho através do éter pode fazer com que o aparelho se contraia ao longo de seu comprimento na direção do movimento, e ele assumiu ainda que a variável de tempo para sistemas em movimento também deve ser alterada de acordo ("local time"), o que levou à formulação da transformação de Lorentz . Baseado na teoria do éter de Lorentz , Henri Poincaré (1900) mostrou que esta hora local (de primeira ordem em v / c ) é indicada por relógios em movimento no éter, que são sincronizados sob a suposição de velocidade constante da luz. Em 1904, ele especulou que a velocidade da luz poderia ser uma velocidade limitante na dinâmica, desde que as suposições da teoria de Lorentz fossem todas confirmadas. Em 1905, Poincaré trouxe a teoria do éter de Lorentz em total acordo observacional com o princípio da relatividade .

Relatividade especial

Em 1905, Einstein postulou desde o início que a velocidade da luz no vácuo, medida por um observador não acelerador, é independente do movimento da fonte ou observador. Usando isso e o princípio da relatividade como base, ele derivou a teoria da relatividade especial , na qual a velocidade da luz no vácuo c aparecia como uma constante fundamental, aparecendo também em contextos alheios à luz. Isso tornou inútil o conceito de éter estacionário (ao qual Lorentz e Poincaré ainda aderiram) e revolucionou os conceitos de espaço e tempo.

Maior precisão de c e redefinição do medidor e segundo

Na segunda metade do século 20, muito progresso foi feito no aumento da precisão das medidas da velocidade da luz, primeiro por técnicas de ressonância de cavidade e depois por técnicas de interferômetro a laser. Estes foram auxiliados por novas e mais precisas definições de metro e segundo. Em 1950, Louis Essen determinou a velocidade como299 792 , 5 ± 3,0 km/s , usando ressonância de cavidade. Este valor foi adotado pela 12ª Assembléia Geral da União Radio-Científica em 1957. Em 1960, o medidor foi redefinido em termos do comprimento de onda de uma determinada linha espectral de criptônio-86 e, em 1967, o segundo foi redefinido em termos da frequência de transição hiperfina do estado fundamental do césio-133 .

Em 1972, usando o método do interferômetro a laser e as novas definições, um grupo do US National Bureau of Standards em Boulder, Colorado, determinou que a velocidade da luz no vácuo era c  = 299 792 456 , 2 ± 1,1 m/s . Isso foi 100 vezes menos incerto do que o valor anteriormente aceito. A incerteza remanescente estava principalmente relacionada à definição do medidor. Como experimentos semelhantes encontraram resultados comparáveis ​​para c , a 15ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1975 recomendou o uso do valor299 792 458  m/s para a velocidade da luz.

Definido como uma constante explícita

Em 1983, a 17ª reunião da Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) descobriu que os comprimentos de onda das medições de frequência e um determinado valor para a velocidade da luz são mais reprodutíveis do que o padrão anterior. Eles mantiveram a definição de segundo de 1967, de modo que a frequência hiperfina do césio agora determinaria tanto o segundo quanto o metro. Para fazer isso, eles redefiniram o metro como "o comprimento do caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo." Como resultado desta definição, o valor da velocidade da luz no vácuo é exatamente299 792 458  m/s e tornou-se uma constante definida no sistema de unidades do SI. Técnicas experimentais aprimoradas que, antes de 1983, teriam medido a velocidade da luz não afetam mais o valor conhecido da velocidade da luz em unidades do SI, mas permitem uma realização mais precisa do medidor medindo com mais precisão o comprimento de onda do cripton- 86 e outras fontes de luz.

Em 2011, a CGPM declarou sua intenção de redefinir todas as sete unidades básicas do SI usando o que chama de "formulação de constante explícita", onde cada "unidade é definida indiretamente especificando explicitamente um valor exato para uma constante fundamental bem reconhecida", como foi feito para a velocidade da luz. Propôs uma nova redação, mas completamente equivalente, da definição do metro: "O metro, símbolo m, é a unidade de comprimento; sua magnitude é definida fixando o valor numérico da velocidade da luz no vácuo para ser exatamente igual a. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

Referências históricas

Referências modernas

links externos