Essa questão pode ser entendida de diferentes maneiras. Portanto, existem respostas diferentes.
Existe uma velocidade diferente da luz no ar ou na água?
Sim. A luz é reduzida em substâncias transparentes, como ar, água ou vidro. Quantas vezes a luz diminui é determinada pelo índice de refração (índice de refração) do meio. É sempre maior que um. Esta descoberta foi feita por Leon Foucault em 1850.
Quando eles falam sobre a "velocidade da luz", geralmente se referem à velocidade da luz no vácuo. É ela quem é designada pela letra c.
A velocidade da luz é constante no vácuo?
Em 1983, a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (Conference Generale des Poids et Mesures) adotou a seguinte definição do medidor SI:
Um metro é o comprimento do caminho da luz no vácuo durante 1/299 792 458 segundos
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Isso também determinou que a velocidade da luz no vácuo é exatamente igual a 299792458 m / s. Resposta curta à pergunta "É c uma constante": Sim, c é uma constante por definição!
Mas essa não é toda a resposta. O sistema SI é muito prático. Suas definições são baseadas nos métodos de medição mais conhecidos e são constantemente revisadas. Hoje, para a medição mais precisa de distâncias macroscópicas, um pulso de luz laser é enviado e o tempo que a luz leva para percorrer a distância necessária é medido. O tempo é medido por um relógio atômico. A precisão do melhor relógio atômico é 1/10 13. É esta definição do medidor que fornece o erro mínimo na medição da distância.
As definições do sistema SI são baseadas em algum entendimento das leis da física. Por exemplo, presume-se que partículas de luz, fótons, não têm massa. Se o fóton tivesse uma pequena massa de repouso, a definição do medidor no sistema SI não estaria correta, porque a velocidade da luz dependeria do comprimento de onda. Não resultaria da definição que a velocidade da luz é constante. Seria necessário refinar a definição do metro adicionando a cor da luz a ser utilizada.
É conhecido por experimentos que a massa de um fóton é muito pequena ou igual a zero. A possível massa diferente de zero de um fóton é tão pequena que é irrelevante para determinar o metro em um futuro previsível. Não pode ser mostrado que este é um zero exato, mas nas teorias modernas geralmente aceitas é zero. Se, no entanto, não for zero e a velocidade da luz não for constante, então teoricamente deveria haver uma quantidade c - o limite superior da velocidade da luz no vácuo, e podemos fazer a pergunta "essa quantidade c é uma constante?"
No passado, o metro e o segundo eram determinados de maneiras diferentes, com base nas melhores técnicas de medição. As definições podem mudar no futuro. Em 1939, o segundo era definido como 1/84600 da duração média de um dia, e o metro como a distância entre os riscos em uma haste de uma liga de platina e irídio armazenada na França.
Agora, com a ajuda de um relógio atômico, foi estabelecido que a duração média de um dia muda. O tempo padrão é especificado, às vezes adicionando ou subtraindo uma fração de segundo dele. A velocidade de rotação da Terra diminui em cerca de 1 / 100.000 de segundo por ano devido às forças das marés entre a Terra e a Lua. Pode haver mudanças ainda maiores no comprimento do metro padrão devido à compressão do metal.
Como resultado, naquela época a velocidade da luz, medida em unidades de m / s, mudou ligeiramente com o tempo. É claro que as mudanças no valor de c foram causadas mais pelas unidades usadas do que pela inconstância da velocidade da luz em si, mas é errado supor que a velocidade da luz agora se tornou constante, apenas porque é uma constante no sistema SI.
As definições do sistema SI revelaram que, para responder à nossa pergunta, precisamos esclarecer o que queremos dizer quando falamos sobre a constância da velocidade da luz. Temos que definir definições de unidades de comprimento e tempo para medir a quantidade c. Em princípio, diferentes respostas podem ser obtidas ao medir em um laboratório e ao usar observações astronômicas. (Uma das primeiras medições da velocidade da luz foi feita em 1676 por Olaf Roemer com base nas mudanças observadas no período de eclipse das luas de Júpiter.)
Por exemplo, poderíamos tomar as definições estabelecidas entre 1967 e 1983. Em seguida, o medidor foi definido como 1650763,73 comprimentos de onda de luz laranja-vermelha da fonte no criptônio-86, e o segundo foi definido (como é hoje) como 9192631770 períodos de radiação correspondentes à transição entre dois níveis hiperfinos de césio-133. Ao contrário das definições anteriores, essas são baseadas em quantidades físicas absolutas e são aplicáveis sempre e em qualquer lugar. Podemos dizer que a velocidade da luz é constante nessas unidades?
Pela teoria quântica do átomo, sabemos que as frequências e os comprimentos de onda são determinados principalmente pela constante de Planck, a carga do elétron, as massas do elétron e do núcleo e a velocidade da luz. Quantidades adimensionais podem ser obtidas a partir dos parâmetros listados, como a constante de estrutura fina e a razão das massas do elétron e do próton. Os valores dessas grandezas adimensionais não dependem da escolha das unidades de medida. Portanto, a questão é muito importante, esses valores são constantes?
Se eles mudassem, isso não afetaria apenas a velocidade da luz. Toda a química é baseada nesses valores, as propriedades químicas e mecânicas de todas as substâncias dependem deles. A velocidade da luz mudaria de maneiras diferentes ao escolher diferentes definições para as unidades de medida. Nesse caso, faria mais sentido atribuir sua mudança a uma mudança na carga ou massa de um elétron do que a uma mudança na velocidade da própria luz.
Observações confiáveis mostram que os valores dessas quantidades adimensionais não mudaram durante a maior parte da vida do universo. … Consulte o artigo da FAQ As constantes físicas mudaram com o tempo?
[Na verdade, a constante de estrutura fina depende da escala de energia, mas aqui queremos dizer seu limite de baixa energia.]
Teoria da relatividade especial
A definição do metro no sistema SI também é baseada na suposição de que a teoria da relatividade está correta. A velocidade da luz é uma constante de acordo com o postulado básico da teoria da relatividade. Este postulado contém duas idéias:
- A velocidade da luz não depende do movimento do observador.
- A velocidade da luz não depende de coordenadas no tempo e no espaço.
A ideia de que a velocidade da luz é independente da velocidade do observador é contra-intuitiva. Algumas pessoas nem concordam que essa ideia faça sentido. Em 1905, Einstein mostrou que essa ideia é logicamente correta se abandonarmos a suposição sobre a natureza absoluta do espaço e do tempo.
Em 1879, acreditava-se que a luz deveria se propagar por algum meio no espaço, como o som se propaga pelo ar e outras substâncias. Michelson e Morley realizaram um experimento para detectar o éter observando a mudança na velocidade da luz quando a direção do movimento da Terra em relação ao Sol muda durante o ano. Para sua surpresa, nenhuma mudança na velocidade da luz foi detectada.
Fitzgerald sugeriu que isso é o resultado da redução do comprimento do arranjo experimental à medida que ele se move através do éter a tal ponto que é impossível detectar uma mudança na velocidade da luz. Lorenz estendeu essa ideia ao ritmo do relógio e provou que o éter não podia ser detectado.
Einstein acreditava que as mudanças no comprimento e no ritmo dos relógios são mais bem compreendidas como mudanças no espaço e no tempo, em vez de mudanças nos objetos físicos. O espaço e o tempo absolutos, introduzidos por Newton, devem ser abandonados. Em seguida, o matemático Minkowski mostrou que a teoria da relatividade de Einstein pode ser interpretada em termos da geometria não euclidiana quadridimensional, considerando o espaço e o tempo como uma entidade única - o espaço-tempo.
A teoria da relatividade não é apenas baseada na matemática, mas também em numerosos experimentos diretos. Mais tarde, os experimentos de Michelson-Morley foram repetidos com maior precisão.
Em 1925, Dayton Miller anunciou que havia descoberto mudanças na velocidade da luz. Ele até recebeu um prêmio por esta descoberta. Na década de 1950, considerações adicionais sobre seu trabalho mostraram que os resultados estavam aparentemente relacionados às mudanças de temperatura diurnas e sazonais em sua configuração experimental.
Os instrumentos físicos modernos poderiam detectar facilmente o movimento do éter, se ele existisse. A Terra gira em torno do Sol a uma velocidade de cerca de 30 km / s. Se as velocidades fossem somadas, de acordo com a mecânica newtoniana, os últimos 5 dígitos no valor da velocidade da luz, postulada no sistema SI, não teriam sentido. Hoje, os físicos do CERN (Genebra) e do Fermilab (Chicago) aceleram as partículas todos os dias a um fio de cabelo próximo à velocidade da luz. Qualquer dependência da velocidade da luz no quadro de referência teria sido notada há muito tempo, a menos que seja imperceptivelmente pequena.
E se, em vez de uma teoria sobre a mudança no espaço e no tempo, seguíssemos a teoria de Lorentz-Fitzgerald, que sugeria que o éter existe, mas não pode ser detectado devido a mudanças físicas no comprimento dos objetos materiais e na velocidade do relógio?
Para que sua teoria seja consistente com as observações, o éter deve ser indetectável com um relógio e uma régua. Tudo, inclusive o observador, se contrairia e desaceleraria exatamente na quantidade necessária. Essa teoria poderia fazer as mesmas previsões para todos os experimentos que a teoria da relatividade. Então o éter seria uma entidade metafísica, a menos que eles encontrem alguma outra maneira de detectá-lo - ninguém ainda encontrou tal maneira. Do ponto de vista de Einstein, tal entidade seria uma complicação desnecessária, seria melhor retirá-la da teoria.
Teoria geral da relatividade
Einstein desenvolveu uma teoria da relatividade mais geral, que explicava a gravidade em termos da curvatura do espaço-tempo, e falou sobre a mudança na velocidade da luz nessa nova teoria. Em 1920, no livro Relativity. A teoria especial e geral”, ele escreve:
… na teoria da relatividade geral, a lei da constância da velocidade da luz no vácuo, que é uma das duas suposições fundamentais da teoria da relatividade especial, […] não pode ser incondicionalmente válida. A curvatura de um raio de luz pode ser realizada somente quando a velocidade de propagação da luz depende de sua posição.
Como Einstein estava falando sobre um vetor de velocidade (velocidade e direção), e não apenas sobre velocidade, não está claro se ele quis dizer que a magnitude da velocidade muda, mas a referência à relatividade especial diz que sim. Esse entendimento é absolutamente correto e tem um significado físico, mas de acordo com a interpretação moderna, a velocidade da luz é constante na teoria geral da relatividade.
A dificuldade aqui é que a velocidade depende das coordenadas e diferentes interpretações são possíveis. Para determinar a velocidade (distância percorrida / tempo decorrido), devemos primeiro escolher alguns padrões de distância e tempo. Padrões diferentes podem dar resultados diferentes. Isso é aplicável à teoria da relatividade especial: se você medir a velocidade da luz em um referencial acelerado, então, no caso geral, ela difere de c.
Na relatividade especial, a velocidade da luz é uma constante em qualquer sistema de referência inercial. Na relatividade geral, a generalização apropriada é que a velocidade da luz é constante em qualquer sistema de referência que caia livremente em uma região suficientemente pequena para negligenciar as forças de maré. Na citação acima, Einstein não está falando sobre um quadro de referência que cai livremente. Ele fala sobre um quadro de referência em repouso em relação à fonte de gravidade. Nesse quadro de referência, a velocidade da luz pode diferir de c devido à influência da gravidade (curvatura do espaço-tempo) no relógio e na régua.
Se a teoria geral da relatividade estiver correta, a constância da velocidade da luz em um sistema de referência inercial é uma consequência tautológica da geometria do espaço-tempo. Viajar na velocidade c em um referencial inercial é viajar ao longo de uma linha reta mundial na superfície de um cone de luz.
O uso da constante c no sistema SI como coeficiente de conexão entre o metro e o segundo é totalmente justificado, tanto teórica quanto praticamente, porque c não é apenas a velocidade da luz - é uma propriedade fundamental da geometria espaço-temporal.
Assim como acontece com a relatividade especial, as previsões da relatividade geral foram confirmadas por muitas observações.
Como resultado, chegamos à conclusão de que a velocidade da luz é constante, não apenas de acordo com as observações. À luz de teorias físicas bem testadas, nem mesmo faz sentido falar sobre sua inconstância.
