Unidades SI | metro por segundo ( m / s ou m s −1 ) |
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Outras unidades | CGS : centímetro por segundo ( cm / s ou cm s −1 ) |
Dimensão | |
Natureza | Quantidade escalar |
Símbolo usual | vs |
Valor | 299 792 458 m / s |
A velocidade da luz no vácuo , comumente conhecida como c para " celeridade ", é uma constante física universal e uma invariante relativística ( velocidade limite das teorias relativísticas ), importante em muitos campos da física . Seu valor exato é 299.792.458 m / s (aproximadamente 3 × 10 8 m / s ou 300.000 km / s ). De acordo com a relatividade especial , a velocidade da luz no vácuo é a velocidade máxima que qualquer forma de matéria ou informação pode atingir no universo .
Embora essa velocidade seja mais frequentemente associada à luz , ela define mais amplamente a velocidade de todas as partículas sem massa e as variações em seus campos associados no vácuo (incluindo radiação eletromagnética e ondas gravitacionais ). Essas partículas e ondas viajam à velocidade c independentemente do movimento da fonte emissora ou do quadro de referência do observador. Na teoria da relatividade , c é usado para ligar espaço e tempo , e também aparece na famosa equação massa-energia E = mc 2 .
A velocidade da luz não é a mesma em todos os meios e viaja através de materiais transparentes (como vidro, ar, água) a uma velocidade inferior a c . A razão de c para v (velocidade em um meio) corresponde ao índice de refração n do meio ( n = c / v ). Por exemplo, o vidro tem um índice de refração próximo a 1,5, o que significa que a luz no vidro viaja a c / 1,5 ≈ 200.000 km / s ; o índice de refração do ar para a luz visível é cerca de 1,0003, então a velocidade da luz no ar é cerca de 299,700 km / s .
Na vida cotidiana, a luz (e outras ondas eletromagnéticas) parece se propagar instantaneamente, mas em cálculos a longas distâncias sua velocidade tem efeitos perceptíveis. Em comunicações com sondas espaciais, por exemplo, uma mensagem pode levar de alguns minutos a algumas horas para chegar à sonda. Da mesma forma, a luz das estrelas deixou essas estrelas por muito tempo, para que possamos estudar a história do universo observando esses objetos distantes: “quanto mais longe olhamos, mais olhamos para o passado” . A velocidade finita da luz também limita a velocidade máxima teórica dos computadores , porque a informação enviada de um chip para outro leva um tempo finito incompressível.
Em 1676, Ole Rømer foi o primeiro a demonstrar que a luz viaja em velocidade finita, observando o movimento aparente e as emersões da lua de Júpiter , Io . Apesar do rigor de suas observações, muitos cientistas continuam céticos em relação a esse resultado. Ao observar o fenômeno da aberração estelar , que é explicado levando-se em conta, respectivamente, a velocidade da luz de uma estrela observada e a velocidade de rotação da Terra ao redor do Sol, James Bradley, no entanto, confirmou em 1729 o resultado de Rømer e conseguiu dar é um valor aceitável. Em 1810, a experiência do francês Arago mostra que a velocidade da luz é constante (sempre a mesma). Em 1865, James Clerk Maxwell definiu a luz como uma onda eletromagnética e sua velocidade de movimento como c (notação presente pela primeira vez em sua teoria sobre eletromagnetismo). Em 1905, Albert Einstein postulou que a velocidade da luz, c , é, em qualquer sistema de referência, uma constante e é independente do movimento da fonte de luz. Ele explora as consequências deste postulado ao descrever a teoria da relatividade e, ao fazê-lo, mostra que o parâmetro c é relevante mesmo fora dos contextos de luz e eletromagnetismo.
Após séculos de medições aprimoradas, em 1975 a velocidade da luz foi estimada em 299.792.458 m / s com uma incerteza de medição de cerca de 1 m / s . Em 1983, o metro foi redefinido no Sistema Internacional de Unidades (SI) como a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299 792 458 segundos ; portanto, o valor numérico de c em metros por segundo agora é exato, como resultado da definição do metro.
O nome dessa constante costuma ser uma fonte de confusão. É importante entender que a velocidade da luz não é uma constante física em si mesma : ela coincide com a constante física.vsdesde que os fótons tenham uma massa idêntica a zero e que a propagação ocorra no vácuo absoluto.
Além disso, é necessário definir cuidadosamente a velocidade de que estamos falando. De fato, quando um pulso de luz é emitido, a descrição de sua propagação pode envolver diferentes noções como velocidade de fase (velocidade de propagação de um componente espectral monocromático), velocidade de grupo (velocidade de propagação do máximo de l pulso de luz, às vezes erroneamente considerada como a velocidade de propagação da informação), a velocidade da frente da onda (velocidade do ponto inicial da onda), etc. Na realidade, nem sempre tem um significado físico simples; pode ser maior quevsou mesmo negativo; a velocidade do transporte de energia não é diretamente mensurável e também apresenta problemas de significado físico simples.
Segundo Sylvan C. Bloch, pelo menos oito velocidades diferentes podem ser utilizadas para caracterizar a propagação da luz, a saber: as velocidades (1) da fase, (2) do grupo, (3) da energia, (4) sinal, ( 5) constante de taxa relativística , (6) taxa de razão de unidade, (7) velocidade central e (8) taxa de correlação. No vácuo, todas essas velocidades são iguais à constantevs, mas em outro meio, apenas a velocidade da frente da onda mantém esse valor.
A rigor, a questão da constância da velocidade da luz no vácuo, observada pelos quanta de energia transportada pelos fótons, não pode ser completamente resolvida, pois é teoricamente possível que os fótons tenham massa diferente de zero: as medições só podem limitar essa massa hipotética e não provar que é rigorosamente zero. No entanto, mesmo que fosse comprovado que os fótons têm massa, isso não poria em causa o princípio da constante.vs, mas sim dar um limite de precisão de sua observabilidade nos modelos de referência; manteríamos com c um limite de velocidade absoluta que os fótons observados não poderiam alcançar no vácuo.
A velocidade da luz no vácuo é comumente denotada como c , inicial de constante e velocidade . Sua velocidade em qualquer outro meio é comumente observada v , velocidade inicial .
Breve históriaO símbolo V foi usado para a velocidade da luz por James Clerk Maxwell em 1865 . Em 1856 , Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usaram c para denotar outra constante igual à velocidade da luz no vácuo multiplicada pela raiz quadrada de dois . Em 1894 , Paul Drude redefiniu c como o símbolo da velocidade das ondas eletromagnéticas. Em 1905 , Albert Einstein usou V em suas publicações sobre relatividade especial . Mas, em 1907 , ele optou por c .
Notações alternativasA velocidade da luz em um meio transparente às vezes é observada c . Sua velocidade no vácuo é então observada como c 0 , de acordo com a recomendação do Bureau Internacional de Pesos e Medidas . O índice 0 indica que o meio é o vácuo, como nas notações usuais da permeabilidade magnética do vácuo μ 0 , da permissividade dielétrica do vácuo ε 0 (temos ε 0 μ 0 c 0 2 = 1 ) e de l ' impedância do espaço livre Z 0 .
Na análise dimensional , a velocidade da luz, no vácuo ou no meio, tem a dimensão de uma velocidade.
Sua equação dimensional é:
[ c ] = [ V ] = LT -1 .No Sistema Internacional de Unidades , é expresso em metros por segundo ( m s −1 ).
Desde 1983 , a velocidade da luz no vácuo é exata, pela definição do metro . Sendo definido como "o comprimento do caminho percorrido no vácuo pela luz durante um período de 1/299 792 458 segundos " , a velocidade da luz no vácuo é a seguinte:
Podemos lembrar o valor de vssubstituindo cada palavra da frase seguinte pelo número de letras que a compõem: “A constante luminosa ficará doravante, no seu cérebro” , ou seja, 2 9 9 7 9 2 4 5 8 m / s .
Em unidades geométricas e unidades de Planck , a velocidade da luz no vácuo é, por definição, reduzida a um: c = 1 .
Ano | Autor (es) | Técnico | Valor (em km / s) |
Incerteza (em km / s) |
Referências) |
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<1638 | Galileo | Lanternas mascaradas | Inconclusivo | - | |
<1667 | Accademia del Cimento | Lanternas mascaradas | Inconclusivo | - | |
1675 | Ole Rømer e Christiaan Huygens | Observação das luas de Júpiter | 220.000 | ? | |
1729 | James Bradley | Aberração de luz | 301.000 | ? | |
1849 | Hippolyte Fizeau | Roda dentada | 315.000 | ? | |
1862 | Leon foucault | Espelho giratório | 298.000 | 500 | |
1907 | Bennett Rosa e Noah Dorsey | Constantes eletromagnéticas | 299.710 | 30 | |
1926 | Albert A. Michelson | Espelho giratório | 299.796 | 4 | |
1950 | Louis Essen e Albert Gordon-Smith | Cavidade ressonante | 299.792,5 | 3,0 | |
1958 | KD Froome | Interferometria de rádio | 299.792,50 | 0,10 | |
1972 | Evenson et al. | Interferometria laser | 299.792.456 2 | 0,001 1 | |
1978 | Woods, Shotton e Rowley | Interferometria laser | 299.792.458 8 | 0,000 2 | |
1983 | Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (definição do medidor) | 299.792.458 | 0 (por construção) |
A história das medições da velocidade da luz tem pelo menos doze métodos para determinar o valor de c . Depois das especulações de Empédocles , Alhazen ou Roger Bacon , e das infelizes tentativas de Galileu com ajudantes a desmascarar lanternas, a primeira estimativa experimental deve-se ao astrônomo dinamarquês Ole Christensen Rømer : ao estudar o ciclo de eclipses de Io , satélite de Júpiter , descobre que quarenta revoluções observadas durante uma quadratura de Júpiter com a Terra são deslocadas no tempo, em comparação com outras quarenta observadas quando os dois planetas estão mais próximos. Ele deduz que quando Júpiter e a Terra estão em posições opostas em relação ao sol, a luz de Júpiter leva 22 minutos a mais para chegar até nós do que quando os dois planetas estão mais próximos, esse atraso correspondendo ao tempo adicional de viagem pela luz de o diâmetro da órbita da Terra.
Dentro Setembro de 1676, ele prevê assim para uma emersão de Io, um atraso de 10 minutos (observado em 9 de novembro ) em relação à tabela estabelecida pela Cassini . A luz, portanto, levou 11 minutos para percorrer o raio da órbita da Terra, mas esse raio era pouco conhecido, as medidas sendo dispersas entre 68 e 138 milhões de quilômetros, todos valores falsos. Este trabalho está publicado no Journal des sçavans , a mais antiga revista literária e científica.
Rømer (que então encontrou 7 min ), Cassini, Newton e muitos outros melhoraram a precisão do tempo de viagem, mas não foi até que Delambre analisou mil eclipses , espalhados por 140 anos, para encontrar o valor de 8 min. 13 s ( o valor correto é 8 min 19 s ).
O próximo passo fica por conta de James Bradley : em 1727, estudando as variações da declinação da estrela Gama do Dragão , ele descobre o fenômeno da aberração da luz , devido à combinação da velocidade da luz com a da Terra ; ele deduz que a velocidade da luz é igual a 10.188 vezes a da Terra. Mas a velocidade da Terra não era bem conhecida, pois depende do raio de sua órbita.
A primeira medição, independente de outra medição, foi feita por Hippolyte Fizeau , em 1849. Operando entre Suresnes e Montmartre com um dispositivo de roda dentada , ele encontrou 315.000 km / s (portanto aumentou com um erro de apenas 5%), um resultado já impressionante para a época, assim como a instrumentação construída por Gustave Froment , com uma roda de 720 dentes usinados com precisão de centésimo de milímetro.
Um novo avanço é feito por Léon Foucault com um dispositivo de espelho giratório, que lhe permite operar sem sair do laboratório. Em 1850, ele mostrou que a luz viaja mais lentamente na água , de acordo com a teoria das ondulações. No Observatório de Paris , emSetembro de 1862, ele encontra o valor de 298.000 km / s .
As medidas (e métodos) se multiplicarão. Sem citar todos eles:
Michelson imaginou fazer o experimento no vácuo . Em 1929, ele começou a construir um tubo de aço com um quilômetro de comprimento perto de Pasadena para ter a melhor experiência. Ele morreu em 1931 sem ver os resultados. Apesar dos erros de medição devido a efeitos geológicos e problemas de construção do tubo, os resultados finais, 299.774 ± 11 km / s , estavam de acordo com as medições eletro-ópticas da época.
Após a Segunda Guerra Mundial, o geodímetro , a cavidade ressonante , o radar , o rádio interferômetro , a espectrometria de banda e, principalmente, o laser , permitirão um salto de precisão:
Por esta última definição, a comunidade científica endossa a definição da velocidade da luz no vácuo absoluto (um vácuo teórico porque só é aproximado e simulado nos modelos experimentais atuais) como uma constante universal, sobre a qual todas as medidas de espaço e tempo.
Tem também a consequente vantagem de não se basear mais nas linhas espectrais dos elementos atômicos (anteriormente uma linha do criptônio 86 desde 1960, já difícil de purificar e isolar em estados estáveis em amostras suficientemente significativas para obter a precisão desejada.), Que em ao mesmo tempo elimina, por um lado, as fontes de imprecisão ou incerteza relativas às variedades isotópicas ou subatômicas (que influenciam a largura das linhas espectrais ainda medidas atualmente) e, por outro lado, a necessidade de reproduzir com mais exatidão as condições de medição com base em um teste experimental modelo (condições que agora podem evoluir independentemente desta definição e melhorar em precisão a um custo menor, dependendo de novas descobertas), em particular usando medição de frequência (ou de forma equivalente) de comprimentos de onda de linha espectral característicos (que ainda precisam ser estudados em para colocar esta definição em prática).
No entanto, ainda pressupõe a existência de um modelo experimental para estabelecer a definição do segundo, do qual depende então o do metro, uma vez que a velocidade da luz no vácuo de que também depende esta definição é agora estabelecida como um universal constante. É no entanto uma melhoria do sistema, uma vez que foi eliminado um dos dois elementos da variabilidade, e também porque foi no domínio da medição do tempo (ou das frequências) que se obteve o progresso mais importante em termos de precisão.
Uma definição semelhante quanto à unidade de massa (ou de forma equivalente à de energia) também poderia eventualmente usar a definição de uma constante universal, quando o fenômeno da gravitação será mais conhecido e controlado para melhor especificar a velocidade da luz em um vácuo não ideal (já que o espaço e o tempo são influenciados pela gravitação, que influencia a velocidade da luz realmente medida no vácuo real que sempre é observado).
De acordo com as teorias da física moderna, e em particular as equações de Maxwell , a luz visível, e mesmo a radiação eletromagnética em geral, tem uma velocidade constante no vácuo ; é essa velocidade que chamamos de velocidade da luz no vácuo .
Portanto, é uma constante física fundamental. Nota-se c (do latim celeritas , “velocidade”). Não é apenas constante em todos os lugares (e em qualquer idade) no Universo ( princípios cosmológicos fracos e fortes, respectivamente); também é constante de um referencial inercial para outro ( Princípio da relatividade ). Em outras palavras, qualquer que seja o referencial inercial de um observador ou a velocidade do objeto que emite a luz, qualquer observador obterá a mesma medição.
A velocidade da luz no vácuo é observada c (valor exato recomendado desde 1975, que se tornou exato por definição desde 1983):
c = 299.792.458 metros por segundoEste valor é exato por definição. De fato, desde 1983 , o metro é definido a partir da velocidade da luz no vácuo no Sistema Internacional de Unidades , como sendo o comprimento do caminho percorrido no vácuo pela luz durante um período de 1/299 792 458 de segundo . Isso significa que o metro agora é definido pelo segundo, por meio da velocidade fixada para a luz.
Pode-se objetar que a constância da velocidade da luz em qualquer direção, pilar da física, é verdadeira por construção, pela escolha das definições das unidades do sistema internacional. Esta objeção é falsa porque a escolha de uma definição do metro baseada no segundo e na luz é de fato uma conseqüência da confiança absoluta dos físicos na constância da velocidade da luz no vácuo; esta confiança foi expressa enquanto a definição do metro de 1960 se baseava em um fenômeno radiativo independente daquele que definia o segundo.
No entanto, tem sido sugerido em várias teorias que a velocidade da luz pode ter variado ao longo do tempo . Nenhuma evidência conclusiva para tais mudanças foi ainda encontrada, mas permanece um assunto de pesquisa até hoje.
A diferença na velocidade de propagação da luz em diferentes meios está na origem do fenômeno da refração . A velocidade em um determinado meio em relação à velocidade no vácuo é igual ao inverso do índice de refração (o último dependendo, além disso, do comprimento de onda):
ou :No entanto, a velocidade da luz, sem outras especificações, é geralmente entendida como a velocidade da luz no "vácuo".
Observe que se nenhum objeto em qualquer meio pode exceder a velocidade da luz no vácuo, exceder a velocidade da luz no mesmo meio é possível: por exemplo, na água, os neutrinos vão consideravelmente mais rápido do que a luz (que é consideravelmente reduzida ) No caso de partículas carregadas, como elétrons ou pósitrons resultantes do decaimento β , isso causa o equivalente ao boom supersônico da luz, é o efeito Cherenkov que "tinge" o fundo das piscinas contendo material radioativo de azul.
Finalmente, em um meio denominado birrefringente , a velocidade da luz também depende de seu plano de polarização . Este fenômeno muito particular é usado em um grande número de campos, como na microscopia ou em óculos de sol .
A velocidade da luz no vácuo não é um limite de velocidade no sentido convencional. Estamos acostumados a adicionar velocidades, por exemplo, consideraremos normal que dois carros viajando a 60 quilômetros por hora em direções opostas se vejam se aproximando a uma velocidade de 60 km / h + 60 km / h = 120 km / h . E esta fórmula aproximada é perfeitamente legítima para velocidades desta ordem ( 60 km / h ≈ 16,67 m / s ).
Mas, quando uma das velocidades é próxima à da luz no vácuo, esse cálculo clássico se desvia muito dos resultados observados; de facto, no final da XIX th século , várias experiências (em particular, que de Michelson ) e observações apareça deixou uma velocidade da luz no vácuo a mesma em todos os pinos de inércia.
Minkowski , Lorentz , Poincaré e Einstein introduziram esta questão na teoria galileana e viram a necessidade de substituir um princípio implícito e impreciso por um compatível com as observações:
Após a formatação computacional, verificou-se que a nova fórmula de composição incluía um termo corretivo em 1 / (1 + v w / c 2 ) , da ordem de 2,7 × 10 -10 apenas na velocidade do som .
O efeito se torna maior quando as velocidades excedem c / 10 , e mais e mais perceptível conforme v / c se aproxima de 1: duas espaçonaves viajando uma em direção à outra na velocidade de 0,8 c (em comparação com um terceiro observador), não perceberão velocidade de aproximação (ou velocidade relativa ) igual a 1,6 c , mas apenas 0,98 c (ver tabela ao lado).
Este resultado é dado pela transformação de Lorentz :
ou :Assim, qualquer que seja a velocidade com que um objeto se move em relação a outro, cada um medirá a velocidade do pulso de luz recebido como tendo o mesmo valor: a velocidade da luz; por outro lado, a frequência observada da radiação eletromagnética transmitida entre dois objetos em movimento relativo (assim como o quantum de energia associado entre a radiação emitida e a radiação percebida pelo objeto alvo) será modificada pelo efeito Doppler-Fizeau .
Albert Einstein uniu o trabalho de seus três colegas em uma teoria da relatividade homogênea, aplicando essas estranhas consequências à mecânica clássica . As confirmações experimentais da teoria da relatividade estavam lá, com a precisão das medidas do tempo próximo.
No âmbito da teoria da relatividade, as partículas são classificadas em três grupos:
As massas em repouso combinadas com o fator multiplicativo fornecem energia real para cada um dos grupos definidos anteriormente.
O que a relatividade especial proíbe é violar a causalidade: portanto, é uma informação no sentido causal do termo que não pode ir mais rápido do que c . Um dos problemas é conseguir definir essa noção de informação. Na verdade, é por exemplo possível que um pulso de luz tenha uma velocidade de grupo maior do que c sem esta violação de causalidade porque a frente de onda se propaga na velocidade c .
De fato, foi demonstrado que a informação sempre se propaga na velocidade c : as velocidades da luz infra ou superluminal podem transportar um sinal, mas não a informação no sentido causal. Em geral, portanto, é importante prestar atenção à definição da velocidade considerada. Além da velocidade da informação (o conceito de informação às vezes é difícil de definir), podemos assim considerar diferentes velocidades que podem assumir valores menores ou maiores que c , ou mesmo valores negativos:
O paradoxo EPR também mostrou que a física quântica dá exemplos para os quais as partículas se comportam como se pudessem se coordenar, enquanto os desvios no espaço e no tempo exigiriam que isso excedessevs. No entanto, esse fenômeno não pode ser usado para transmitir informações.
Dentro setembro de 2011, a colaboração de físicos que trabalham no experimento OPERA anuncia que o tempo medido de vôo dos neutrinos produzidos no CERN é 60,7 ns menor do que o esperado para partículas que se movem à velocidade da luz. O8 de junho de 2012, cientistas do experimento OPERA anunciam que a anomalia estava de fato ligada a um erro de medição devido à conexão defeituosa de um cabo de sincronização óptica de relógios atômicos, e que a velocidade medida dos neutrinos era compatível com a da luz.
“A possibilidade de que as constantes fundamentais possam variar durante a evolução do universo oferece uma janela excepcional para as teorias dimensionais superiores e está provavelmente ligada à natureza da energia escura que faz o universo acelerar hoje. "