Quão rápido a luz viaja no vácuo

A velocidade da luz no vácuo é um indicador amplamente utilizado na física e que ao mesmo tempo possibilitou várias descobertas, além de explicar a natureza de muitos fenômenos. Existem vários pontos importantes que precisam ser estudados para entender o tema e entender como e em que condições esse indicador foi descoberto.

Qual é a velocidade da luz

A velocidade de propagação da luz no vácuo é considerada um valor absoluto, refletindo a velocidade de propagação da radiação eletromagnética. É amplamente utilizado em física e tem uma designação na forma de uma pequena letra latina "s" (diz "tse").

No vácuo, a velocidade da luz é usada para determinar a velocidade com que diferentes partículas se movem.

De acordo com a maioria dos pesquisadores e cientistas, a velocidade da luz no vácuo é a velocidade máxima possível do movimento das partículas e da propagação de vários tipos de radiação.

Quanto aos exemplos de fenômenos, eles são:

1. Luz visível de qualquer fonte.
2. Todos os tipos de radiação eletromagnética (como raios X e ondas de rádio).
3. Ondas gravitacionais (aqui as opiniões de alguns especialistas diferem).

Muitos tipos de partículas podem viajar perto da velocidade da luz, mas nunca a alcançam.

O valor exato da velocidade da luz

Os cientistas tentam há muitos anos determinar qual é a velocidade da luz, mas medições precisas foram feitas nos anos 70 do século passado. Eventualmente o indicador foi de 299.792.458 m/s com um desvio máximo de +/-1,2 m. Hoje é uma unidade física invariável, como a distância em um metro é 1/299.792.458 de segundo, é quanto tempo leva para a luz no vácuo percorrer 100 cm.

Científico fórmula para determinar a velocidade da luz.

Para simplificar os cálculos, o indicador é simplificado para 300.000.000 m/s (3×108 m/s). É familiar a todos no curso de física na escola, é lá que a velocidade é medida dessa forma.

O papel fundamental da velocidade da luz na física

Este indicador é um dos principais, independentemente do sistema de referência utilizado no estudo. Não depende do movimento da fonte de onda, que também é importante.

A invariância foi postulada por Albert Einstein em 1905. Isso aconteceu depois que outro cientista, Maxwell, que não encontrou evidências da existência de um éter luminífero, apresentou uma teoria sobre o eletromagnetismo.

A afirmação de que um efeito causal não pode ser transportado a uma velocidade superior à velocidade da luz é considerada bastante razoável hoje.

A propósito! Os físicos não negam que algumas das partículas podem se mover a uma velocidade superior ao indicador considerado. No entanto, eles não podem ser usados ​​para transmitir informações.

Referências históricas

Para entender as características do tema e descobrir como certos fenômenos foram descobertos, deve-se estudar os experimentos de alguns cientistas. No século 19, muitas descobertas foram feitas que ajudaram os cientistas mais tarde, elas diziam respeito principalmente à corrente elétrica e aos fenômenos de indução magnética e eletromagnética.

Experimentos de James Maxwell

A pesquisa do físico confirmou a interação de partículas à distância. Posteriormente, isso permitiu a Wilhelm Weber desenvolver uma nova teoria do eletromagnetismo. Maxwell também estabeleceu claramente o fenômeno dos campos magnéticos e elétricos e determinou que eles podem gerar um ao outro, formando ondas eletromagnéticas. Foi este cientista que começou a usar a designação "s", que ainda é usada por físicos de todo o mundo.

Graças a isso, a maioria dos pesquisadores já começou a falar sobre a natureza eletromagnética da luz. Maxwell, enquanto estudava a velocidade de propagação de excitações eletromagnéticas, chegou à conclusão de que esse indicador é igual à velocidade da luz, uma vez ele ficou surpreso com esse fato.

Graças à pesquisa de Maxwell, ficou claro que luz, magnetismo e eletricidade não são conceitos separados. Juntos, esses fatores determinam a natureza da luz, porque é uma combinação de um campo magnético e elétrico que se propaga no espaço.

Esquema de propagação de ondas eletromagnéticas.

Michelson e sua experiência em provar o absolutismo da velocidade da luz

No início do século passado, a maioria dos cientistas usava o princípio da relatividade de Galileu, segundo o qual se acreditava que as leis da mecânica não se alteravam, independentemente do referencial utilizado. Mas, ao mesmo tempo, de acordo com a teoria, a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas deve mudar quando a fonte se move. Isso contrariava tanto os postulados de Galileu quanto a teoria de Maxwell, que motivou o início das pesquisas.

Naquela época, a maioria dos cientistas estava inclinada à “teoria do éter”, segundo a qual os indicadores não dependiam da velocidade de sua fonte, o principal fator determinante eram as características do ambiente.

Michelson descobriu que a velocidade da luz não depende da direção da medição.

Como a Terra se move no espaço sideral em uma determinada direção, a velocidade da luz, de acordo com a lei da adição de velocidades, será diferente quando medida em direções diferentes. Mas Michelson não encontrou nenhuma diferença na propagação das ondas eletromagnéticas, independentemente da direção em que as medições foram feitas.

A teoria do éter não conseguia explicar a presença de um valor absoluto, o que mostrava ainda melhor sua falácia.

Teoria da relatividade especial de Albert Einstein

Um jovem cientista da época apresentou uma teoria que contraria as ideias da maioria dos pesquisadores. Segundo ela, o tempo e o espaço possuem características que garantem a invariância da velocidade da luz no vácuo, independentemente do referencial escolhido. Isso explicava os experimentos malsucedidos de Michelson, já que a velocidade de propagação da luz não depende do movimento de sua fonte.

[tds_council]A confirmação indireta da correção da teoria de Einstein foi a "relatividade da simultaneidade", sua essência é mostrada na figura.[/tds_council]

Um exemplo de como a localização de uma pessoa afeta sua percepção da propagação da luz.

Como a velocidade da luz era medida antes?

Muitas tentativas de determinar esse indicador foram feitas, mas devido ao baixo nível de desenvolvimento da ciência, anteriormente era problemático fazê-lo. Assim, os cientistas da antiguidade acreditavam que a velocidade da luz era infinita, mas depois muitos pesquisadores duvidaram desse postulado, o que levou a várias tentativas de determiná-lo:

1. Galileu usava lanternas. Para calcular a velocidade de propagação das ondas de luz, ele e seu assistente estavam em colinas, cuja distância entre elas foi determinada com exatidão. Então um dos participantes abriu a lanterna, o segundo teve que fazer o mesmo assim que viu a luz. Mas este método não deu resultados devido à alta velocidade de propagação das ondas e à incapacidade de determinar com precisão o intervalo de tempo.
2. Olaf Roemer, um astrônomo da Dinamarca, notou uma característica enquanto observava Júpiter. Quando a Terra e Júpiter estavam em pontos opostos em suas órbitas, o eclipse de Io (uma lua de Júpiter) estava 22 minutos atrasado em relação ao próprio planeta. Com base nisso, ele concluiu que a velocidade de propagação das ondas de luz não é infinita e tem um limite. De acordo com seus cálculos, o número era de aproximadamente 220.000 km por segundo.
   Determinando a velocidade da luz de acordo com Roemer.
3. Por volta do mesmo período, o astrônomo inglês James Bradley descobriu o fenômeno da aberração luminosa, quando devido ao movimento da Terra em torno do Sol, bem como devido à rotação em torno de seu eixo, devido ao qual a posição das estrelas no céu e a distância a eles estão mudando constantemente.Devido a essas características, as estrelas descrevem uma elipse durante cada ano. Com base em cálculos e observações, o astrônomo calculou a velocidade, que era de 308.000 km por segundo.
   aberração da luz
4. Louis Fizeau foi o primeiro que decidiu determinar o indicador exato por meio de um experimento de laboratório. Ele instalou um vidro com superfície espelhada a uma distância de 8633 m da fonte, mas como a distância é pequena, era impossível fazer cálculos de tempo precisos. Então o cientista montou uma roda dentada, que periodicamente cobria a luz com dentes. Ao alterar a velocidade da roda, Fizeau determinou a que velocidade a luz não teve tempo de deslizar entre os dentes e retornar. Segundo seus cálculos, a velocidade era de 315 mil quilômetros por segundo.
   Experiência de Louis Fizeau.

Medindo a velocidade da luz

Isto pode ser feito de várias maneiras. Não vale a pena analisá-los em detalhes; cada um exigirá uma revisão separada. Portanto, é mais fácil entender as variedades:

1. Medições astronômicas. Aqui, os métodos de Roemer e Bradley são os mais utilizados, pois comprovaram sua eficácia e as propriedades do ar, da água e outras características do ambiente não afetam o desempenho. Sob condições de vácuo espacial, a precisão da medição aumenta.
2. ressonância de cavidade ou efeito de cavidade - este é o nome do fenômeno de ondas magnéticas estacionárias de baixa frequência que surgem entre a superfície do planeta e a ionosfera. Usando fórmulas especiais e dados de equipamentos de medição, não é difícil calcular o valor da velocidade das partículas no ar.
3. Interferometria - um conjunto de métodos de pesquisa em que se formam vários tipos de ondas.Isso resulta em um efeito de interferência, que permite realizar inúmeras medições de vibrações eletromagnéticas e acústicas.

Com a ajuda de equipamentos especiais, as medições podem ser feitas sem o uso de técnicas especiais.

A velocidade superluminal é possível?

Com base na teoria da relatividade, o excesso do indicador por partículas físicas viola o princípio da causalidade. Por isso, é possível transmitir sinais do futuro para o passado e vice-versa. Mas, ao mesmo tempo, a teoria não nega que pode haver partículas que se movem mais rápido, enquanto interagem com substâncias comuns.

Este tipo de partículas é chamado de táquions. Quanto mais rápido eles se movem, menos energia eles carregam.

Vídeo aula: o experimento de Fizeau. Medição da velocidade da luz. Física 11º ano.

A velocidade da luz no vácuo é um valor constante; muitos fenômenos da física são baseados nele. Sua definição tornou-se um novo marco no desenvolvimento da ciência, pois possibilitou explicar muitos processos e simplificou vários cálculos.