Velocidade da luz
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 A luz solar leva cerca de 8 minutos e 19 segundos para atingir a Terra (com base na distância média). | |
| Valores exatos | |
|---|---|
| Metros por segundo | 299792458 |
| Unidades de Planck | 1 |
| quilômetros por segundo | 299,792.458 |
| Valores aproximados | |
| km por hora | 1.080 milhões |
| milhas por segundo | 186.000 |
| milhas por hora | 671 milhões |
| unidades astronômicas por dia | 173 |
| Luz aproximado tempos de viagem de sinal | |
| Distância | Tempo |
| um pé | 1.0 ns |
| um medidor | 3,3 ns |
| de órbita geoestacionária à Terra | 119 Senhora |
| o comprimento da Terra equador | 134 ms |
| da Lua para a Terra | 1.3 s |
| da Sun para a Terra (1 AU) | 8.3 min |
| da estrela mais próxima ao Sol (1.3 pc) | 4,2 anos |
| da galáxia mais próxima (o Canis Major Galáxia Anã) para a Terra | 25 mil anos |
| do outro lado da Via Láctea | 100 mil anos |
| da Galáxia de Andrômeda para a Terra | 2500 mil anos |
A velocidade da luz no vácuo, c geralmente designado, é um universal constante física importante em muitas áreas da física . Seu valor é 299.792.458 metros por segundo, um valor que é exacto, porque o comprimento do medidor é definido a partir desta e a constante padrão internacional de tempo. Em imperial esta velocidade é de aproximadamente 186.282 milhas por segundo. De acordo com a relatividade especial , c é a velocidade máxima em que toda a energia, matéria e informações no universo pode viajar. É a velocidade a que todos partículas sem massa e associados campos (incluindo a radiação eletromagnética , como luz ) viajar no vácuo. Ele também é o velocidade da gravidade (ou seja, de ondas gravitacionais) previstos pelas teorias atuais. Tais partículas e ondas de viagem em c, independentemente do movimento da fonte ou a referencial inercial do observador. Na teoria da relatividade , c interrelaciona espaço e tempo, e também aparece na famosa equação de equivalência massa-energia E = mc 2.
A velocidade com que a luz se propaga através de materiais transparentes, tais como vidro ou ar, é menor que c. A proporção entre C e a velocidade v a que a luz viaja em um material é o chamado índice de refracção n do material (n = c / v). Por exemplo, para a luz visível o índice de refracção do vidro é normalmente cerca de 1,5, o que significa que a luz viaja no vidro em c / 1,5 ≈ 200,000 km / s; o índice de refracção do ar para a luz visível é de cerca de 1,0003, de modo que a velocidade da luz no ar é de cerca de 90 km / s mais lento do que c.
Na maioria dos casos práticos, a luz pode ser entendido como um deslocamento "instantaneamente", mas para longas distâncias e medições muito sensíveis à velocidade finita da luz tem efeitos notáveis. Por exemplo, em vídeos de uma tempestade com raios intensa sobre a superfície da Terra tirada da Estação Espacial Internacional, a expansão das frentes de onda de luz de flashes individuais de relâmpago é claramente visível, e permite estimativas da velocidade da luz para ser feita a partir de frame-a -frame análise da posição da frente de onda de luz. Isto não é surpreendente, já que o tempo para a luz a propagar completamente em torno da Terra é da ordem de 140 milissegundos. Este tempo de trânsito é o que faz com que o Ressonância Schumann. Na comunicação com distante sondas espaciais, pode levar alguns minutos a horas para uma mensagem chegar da Terra para a nave espacial, ou vice-versa. A luz que vemos a partir estrelas deixou-os há muitos anos, o que nos permite estudar a história do universo, olhando para objetos distantes. A velocidade da luz finita também limita a velocidade máxima teórica de computadores , já que as informações devem ser enviadas dentro do computador de chip para chip de. Finalmente, a velocidade da luz pode ser utilizada com tempo de medições aéreas para medir grandes distâncias a alta precisão.
Ole Rømer demonstrou pela primeira vez em 1676 que a luz viajou a uma velocidade finita (por oposição aos instantaneamente) ao estudar o movimento aparente de Júpiter lua 's Io. Em 1865, James Clerk Maxwell propôs que a luz era uma onda eletromagnética, e, portanto, viajou com a velocidade c aparecendo em sua teoria do eletromagnetismo. Em 1905, Albert Einstein postulou que a velocidade da luz em relação a qualquer referencial inercial é independente do movimento da fonte de luz, e explorou as consequências desse postulado derivando a teoria da relatividade especial e mostrando que o parâmetro c teve relevância fora do contexto de luz e electromagnetismo. Depois de séculos de medições cada vez mais precisas, em 1975, a velocidade da luz era conhecido por ser 299.792.458 m / s com uma incerteza de medição de 4 partes por bilhão. 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 de um segundo. Como resultado, o valor numérico de c em metros por segundo é agora fixada exactamente pela definição do medidor.
Valores numéricos, notação, e unidades
A velocidade da luz no vácuo é indicada c. O símbolo c é um "c onstant" em físico sistemas de unidades, e c também significa " celeritas ", latim para" rapidez ". (Capital C é a Unidade do SI para coulomb de carga elétrica .) Originalmente, o símbolo V foi utilizado para a velocidade da luz, introduzido por James Clerk Maxwell em 1865. Em 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usara C durante uma constante diferente para igualar mais tarde mostrado √ duas vezes a velocidade da luz no vácuo. Em 1894, Paul Drude redefiniu c com o seu significado moderno. Einstein utilizado V em sua documentos em língua alemã originais sobre a relatividade especial em 1905, mas em 1907 ele mudou para c, que até então havia se tornado o símbolo padrão.
Por vezes c é utilizado para a velocidade das ondas em qualquer suporte material, e 0 C para a velocidade da luz no vácuo. Esta notação subscrita, que é apoiada em literatura oficial SI, tem a mesma forma que outros constantes relacionadas: a saber, μ 0 para o permeabilidade do vácuo ou magnético constante, ε 0 para o permitividade ou constante de vácuo eléctrica, e Z 0 para o impedância de espaço livre. Este artigo utiliza c exclusivamente para a velocidade da luz no vácuo.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), o medidor é definida como a distância luz viaja em vácuo em 1 / 299.792.458 de um segundo. Esta definição corrige a velocidade da luz no vácuo a exactamente 299.792.458 m / s. Como uma constante física dimensional, o valor numérico de c é diferente para diferentes sistemas de unidades. Em ramos da física em que c aparece muitas vezes, como na relatividade, é comum a utilização de sistemas de unidades naturais de medição ou o sistema de unidades geometrizado onde c = 1. Usando estas unidades, c não aparece explicitamente porque multiplicação ou divisão por 1 não afeta o resultado.
Papel fundamental na física
A velocidade com que as ondas de luz propagam no vácuo é independente tanto do movimento da fonte e da onda referencial inercial do observador. Este invariância da velocidade da luz foi postulada por Einstein em 1905, depois de ter sido motivada pelo teoria do eletromagnetismo de Maxwell e da falta de provas para o éter luminífero ; que desde então tem sido consistentemente confirmado por muitas experiências. Só é possível verificar experimentalmente que a de duas vias velocidade da luz (por exemplo, a partir de uma fonte para um espelho e vice-versa) é independente de quadro, uma vez que é impossível medir o velocidade unidireccional de luz (por exemplo, a partir de uma fonte para um detector distante) sem alguma convenção de como relógios na fonte e no detector deve ser sincronizado. No entanto, através da adopção Sincronização de Einstein para os relógios, o one-way velocidade da luz torna-se igual ao de duas vias velocidade da luz por definição. A teoria da relatividade especial explora as conseqüências dessa invariância de c com o pressuposto de que as leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais de referência. Uma consequência é que c é a velocidade à qual toda partículas e ondas sem massa, incluindo a luz, deve viajar no vácuo.
A relatividade especial tem muitas implicações contra-intuitivas e experimentalmente verificados. Estes incluem o equivalência de massa e energia (E = mc 2), contração do comprimento (objetos em movimento encurtar), e dilatação do tempo (relógios em movimento ficar mais lento). O factor pelo qual γ comprimentos contrato e dilatar vezes é conhecido como o Factor de Lorentz e é dado por γ = (1 - v 2 / C 2) -1/2, onde v é a velocidade do objecto. A diferença de γ entre 1 é insignificante para velocidades muito mais lento do que c, como a maioria das velocidades-nos todos os dias caso em que a relatividade especial está intimamente aproximadas por Relatividade de Galileu, mas aumenta a velocidades relativistas e diverge para o infinito como v se aproxima c.
Os resultados de relatividade especial pode ser resumido por tratamento de espaço e tempo como uma estrutura unificada conhecido como espaço-tempo (com c relacionando as unidades de espaço e tempo), e exigindo que as teorias físicas satisfazer uma especial simetria chamada A invariância de Lorentz, cuja formulação matemática contém o parâmetro c. A invariância de Lorentz é uma suposição quase universal para as teorias físicas modernas, tais como eletrodinâmica quântica, cromodinâmica quântica, o Modelo Padrão da física de partículas , e relatividade geral . Como tal, o parâmetro c é onipresente na física moderna, aparecendo em muitos contextos que não estão relacionados à tona. Por exemplo, a relatividade geral prevê que c é também o velocidade da gravidade e de ondas gravitacionais. Em quadros não-inerciais de referência (espaço curvo ou gravitacionalmente acelerada quadros de referência), o local de velocidade da luz é constante e igual a C, mas o velocidade da luz ao longo de uma trajectória de comprimento finito pode diferir a partir de c, dependendo de como as distâncias e os tempos são definidos.
Supõe-se geralmente que as constantes fundamentais, tais como c têm o mesmo valor em todo o espaço-tempo, o que significa que eles não dependem da localização e não variam com o tempo. No entanto, foi sugerido em diversas teorias que o velocidade da luz pode ter mudado ao longo do tempo. Nenhuma evidência conclusiva para tais mudanças foi encontrado, mas eles continuam a ser objecto de investigação em curso.
É também geralmente aceite que a velocidade da luz é isotrópico, o que significa que tem o mesmo valor independentemente do sentido em que é medido. Observações das emissões provenientes nuclear níveis de energia como uma função da orientação dos emissores de núcleos em um campo magnético (ver Experimento Hughes-Drever), e de rotação ressonadores ópticos (ver Experimentos ressonador) puseram limites rigorosos sobre a possível nos dois sentidos anisotropia.
Limite superior em velocidades
De acordo com a relatividade especial, a energia de um objeto com descanso da massa 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 a famosa E = mc 2 de fórmula equivalência massa-energia. O fator γ se aproxima do infinito com v aproximando-c, e que seria necessário uma quantidade infinita de energia para acelerar um objeto com massa à velocidade da luz. A velocidade da luz é o limite superior para as velocidades de objetos com massa de repouso positivo. Isto é estabelecido experimentalmente em muitos testes de energia relativista e dinâmica.
De modo mais geral, é normalmente impossível para informações ou energia para viajar mais rápido que c. Um argumento para isso decorre a implicação contra-intuitiva da relatividade especial conhecido como o relatividade da simultaneidade. Se a distância espacial entre dois eventos A e B é maior do que o intervalo de tempo entre elas multiplicados por c, em seguida, existem quadros de referência, em que A, B precede outros em que precede um B, e outras em que eles são simultâneos. Como resultado, se alguma coisa estivesse viajando mais rápido do que c em relação a um referencial inercial, seria viajar para trás no tempo em relação a outro quadro, e causalidade seria violado. Em tal um quadro de referência, um "efeito" pode ser observado antes de sua "causa". Tal violação da causalidade não foi gravada, e levaria a paradoxos tais como o antitelephone taquiônico.
Mais rápido do que a luz observações e experiências
Há situações em que pode parecer que a matéria, energia ou informação viaja a velocidades superiores a c, mas eles não. Por exemplo, como é discutido na propagação da luz num meio secção abaixo, muitas velocidades de onda pode exceder c. Por exemplo, a velocidade de fase Os raios X através da maioria vidros rotineiramente pode exceder C, mas tais ondas não transmitir qualquer informação.
Se um feixe de laser é varrido rapidamente através de um objecto distante, o ponto de luz pode mover-se mais rapidamente do que c, embora o movimento inicial do ponto é atrasado devido ao tempo que a luz leva para chegar ao objecto distante na velocidade c. No entanto, as únicas entidades físicas que são móveis são o laser e a sua luz emitida, que viaja a velocidade c a partir do laser para as várias posições do local. Similarmente, uma sombra projectada sobre um objecto distante pode ser feito para se mover mais rápido do que c, depois de um atraso no tempo. Em nenhum dos casos, qualquer matéria, energia ou informações viajar mais rápido que a luz.
A taxa de alteração da distância entre dois objectos num quadro de referência em relação ao qual ambos estão em movimento (o seu velocidade de fechamento) pode ter um valor superior a c. No entanto, isto não representa a velocidade de qualquer objecto único, como medido em um único quadro de inércia.
Certos efeitos quânticos parecem ser transmitida instantaneamente e, por conseguinte, mais rapidamente do que c, como no Paradoxo EPR. Um exemplo envolve a estados quânticos de duas partículas que podem ser enredada. Até que uma das partículas é observado, que existem num superposição de dois estados quânticos. Se as partículas são separadas e estado quântico de uma partícula é observada, estado quântico do outro da partícula é determinado instantaneamente (ou seja, mais rápido do que a luz pode deslocar de uma partícula para o outro). No entanto, é impossível controlar o estado de quantum que a primeira partícula irá assumir quando se observa, para que a informação não pode ser transmitida desta maneira.
Outro efeito quântico, que prevê a ocorrência de mais rápida que a luz é chamada de velocidades Hartman efeito; sob certas condições, o tempo necessário para uma partícula virtual para túnel através de uma barreira é constante, independentemente da espessura da barreira. Isso poderia resultar em uma partícula virtual de atravessar uma grande lacuna mais rápido do que a luz. No entanto, nenhuma informação pode ser enviado com este efeito.
Os chamados superluminar movimento é visto em determinados objectos astronómicas, como o jatos relativísticos de galáxias de rádio e quasares. No entanto, estes jactos não se movem a velocidades superiores à velocidade da luz: o movimento aparente é uma superluminar efeito de projeção causada por objetos em movimento perto da velocidade da luz e que se aproximam da Terra em um ângulo pequeno para a linha de visão: uma vez que a luz que foi emitido quando o jato foi mais longe levou mais tempo para chegar à Terra, o tempo entre duas sucessivas observações corresponde para um tempo mais longo entre os instantes em que os raios de luz foram emitidos.
Em modelos do universo em expansão, as galáxias mais distantes são uns dos outros, mais rápido eles se separam. Este recuo não é devida ao movimento através do espaço, mas sim para o expansão do próprio espaço. Por exemplo, galáxias distantes da Terra parecem estar se afastando da Terra com uma velocidade proporcional às suas distâncias. Para além de um limite chamado Hubble esfera, a taxa à qual a sua distância a partir de aumentos da Terra torna-se maior do que a velocidade da luz.
Em setembro de 2011, os físicos trabalhando no OPERA experimento publicou resultados que sugeriam feixes de neutrinos tinham viajado de CERN (em Genebra, Suíça) para LNGS (no Gran Sasso, Itália) mais rápido do que a velocidade da luz. Estes resultados, por vezes referido como o mais rápido do que a luz neutrino anomalia, foram posteriormente determinados pelo sujeito a confirmação posterior para ser o resultado de um erro de medição.
Propagação da luz
Em física clássica, a luz é descrito como um tipo de onda eletromagnética . O comportamento clássico da campo electromagnético é descrito por equações de Maxwell , que prevêem que a velocidade com a qual c ondas electromagnéticas (como luz) propagam-se através do vácuo está relacionada com a eléctrica constante ε 0 e o magnético constante μ 0 pela equação c = 1 / √ ε 0 0 μ. Em moderna física quântica , o campo eletromagnético é descrito pela teoria da eletrodinâmica quântica (QED). Nesta teoria, a luz é descrita por as excitações fundamentais (ou quanta) do campo electromagnético, chamados fotões . Em QED, os fótons são partículas sem massa e, portanto, de acordo com a relatividade especial, eles viajam à velocidade da luz no vácuo.
Extensões da QED em que o fóton tem massa foram considerados. Em uma tal teoria, a sua velocidade iria depender da sua frequência, a velocidade e invariante c de relatividade especial seria o limite superior da velocidade da luz no vácuo. Nenhuma variação da velocidade da luz com uma frequência tem sido observada em testes rigorosos, colocando limites estritos sobre a massa do fotão. O limite obtido depende do modelo usado: se o fotão maciça é descrito pela Proca teoria, o experimental limite superior para a sua massa é cerca de 10 -57 gramas; Se a massa de fotões é gerado por um Mecanismo de Higgs, o limite superior experimental é menos acentuada, m ≤ 10 -14 eV / c 2 (cerca de 2 × 10 -47 g).
Outra razão para a velocidade da luz para variar de acordo com a sua frequência seria a falha de relatividade especial aplicável a pequenas escalas arbitrariamente, como previsto por algumas teorias propostas de gravidade quântica. Em 2009, a observação do espectro de explosão de raios gama GRB 090510 Não havia nenhuma diferença nas velocidades de fótons de diferentes energias, confirmando que a invariância de Lorentz é verificada pelo menos até a escala da Comprimento de Planck (l P = √ ħ G / c 3 ≈ 1,6163 x 10 -35 m), dividido por 1,2.
Numa forma
Em uma forma, a luz normalmente não se propagam com uma velocidade igual a C; Além disso, diferentes tipos de onda de luz vai viajar em velocidades diferentes. A velocidade com que as cristas e depressões individuais de um onda plana (uma onda preenchendo todo o espaço, com apenas um frequência) é chamado o propagar velocidade de fase v p. Um sinal físico real com uma extensão finita (um pulso de luz) viaja a uma velocidade diferente. A maior parte do pulso viaja à grupo velocidade v g, e sua primeira parte viaja à frente velocidade v f.
A velocidade de fase é importante na determinação de como uma onda de luz se propaga através de um material ou de um material para outro. Muitas vezes, é representado em termos de um índice de refracção. O índice de refracção de um material é definida como a proporção de C para a velocidade de fase v p no material: índices de refracção maiores indicam velocidades mais baixas. O índice de refracção de um material pode depender da luz de frequência, intensidade, polarização, ou direção de propagação; em muitos casos, porém, pode ser tratada como uma constante dependente do material. O índice de refracção do ar é de cerca de 1,0003. Meios mais densos, tais como água, vidro, e diamante , têm índices de refracção de cerca de 1,3, 1,5 e 2,4, respectivamente, para a luz visível. Em materiais exóticos como Bose-Einstein perto do zero absoluto, a velocidade efetiva de luz pode ser apenas a alguns metros por segundo. No entanto, isto representa a absorção e re-radiação atraso entre átomos, assim como todas as mais lentas do que o c velocidades em substâncias materiais. Como um exemplo extremo disso, a luz "abrandar" no assunto, duas equipes independentes de cientistas afirmaram trazer luz a uma "paralisação completa" por passagem através de um condensado de Bose-Einstein do elemento rubídio , uma equipe da Universidade de Harvard e da Instituto Rowland para a ciência em Cambridge, Mass., E outro no Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, também em Cambridge. No entanto, a descrição popular de ser de luz "parado" nestas experiências se refere apenas a luz que está sendo armazenado nos estados excitados de átomos, em seguida, re-emitida em um momento arbitrariamente depois, quando estimulada por um segundo pulso de laser. Durante o tempo que tinha "parou", ele tinha deixado de ser luz. Este tipo de comportamento é geralmente microscopicamente verdadeiro de todos os meios de comunicação transparentes que "lento" a velocidade da luz.
Em materiais transparentes, o índice de refracção geralmente é maior do que 1, o que significa que a velocidade de fase é menor do que c. Em outros materiais, é possível que o índice de refracção para se tornar menor do que 1 para algumas frequências; em alguns materiais exóticos, é mesmo possível para o índice de refracção a tornar-se negativo. A exigência de que a causalidade não é violada implica que as partes real e imaginária do constante dieléctrica de qualquer material, o que corresponde, respectivamente, ao índice de refracção e a coeficiente de atenuação, são ligados pela Relações Kramers-Kronig. Em termos práticos, isto significa que, em um material com índice de refracção inferior a 1, a absorção da onda é tão rápida que nenhum sinal pode ser enviado mais depressa do que c.
Um pulso com diferentes velocidades de grupo e de fase (o que ocorre se a velocidade de fase não é o mesmo para todas as frequências da pulsação) borratado ao longo do tempo, um processo conhecido como dispersão. Alguns materiais têm uma velocidade excepcionalmente baixo (ou mesmo zero) do grupo para as ondas de luz, um fenômeno chamado luz lenta, o que foi confirmado em várias experiências. Os opostos, superior a velocidade de grupo C, também tem sido demonstrado na experiência. Deve ainda ser possível que a velocidade de grupo para tornar infinito ou negativo, com impulsos de viajar instantaneamente ou para trás no tempo.
Nenhuma destas opções, no entanto, permitir que a informação a ser transmitida mais rapidamente do que c. É impossível transmitir informação com um pulso de luz mais rápido do que a velocidade de a primeira parte do impulso (o velocidade da frente). Pode ser mostrado que este é (sob certas suposições) sempre igual a c.
É possível que uma partícula para viajar através de uma forma mais rápida do que a velocidade de fase de luz em que o meio (mas ainda mais lenta do que c). Quando um partícula carregada faz isso em um material dieléctrico, o equivalente de um electromagnética onda de choque, conhecida como Efeito Cherenkov, é emitido.
Efeitos práticos da finitude
A velocidade da luz é de relevância para as comunicações : o one-way e de ida e volta tempo de atraso são maiores do que zero. Isto aplica-se desde pequenas a escalas astronômicas. Por outro lado, algumas técnicas dependerá da velocidade finita da luz, por exemplo, em medidas de distância.
Pequenas escalas
Em computadores, a velocidade da luz impõe um limite de quão rapidamente os dados podem ser enviados entre processadores . Se um processador opera a uma gigahertz, um sinal só pode viajar um máximo de cerca de 30 centímetros (1 pé) de um único ciclo. Estas devem, portanto, ser colocados próximos um do outro para minimizar as latências de comunicação; isso pode causar a dificuldade com arrefecimento. Se as freqüências de clock continuar a aumentar, a velocidade da luz acabará por se tornar um fator limitante para o design interno de solteiro fichas .
Grandes distâncias da Terra
Por exemplo, dada a circunferência equatorial da Terra é de cerca de 40,075 km e c cerca de 300.000 km / s, o menor tempo teórico para um pedaço de informação para viajar metade do globo ao longo da superfície é de cerca de 67 milissegundos. Quando a luz está a viajar em torno do globo numa fibra óptica , o tempo de trânsito real é maior, em parte, porque a velocidade da luz é mais lenta de cerca de 35% em uma fibra óptica, dependendo do seu índice de refracção n. Além disso, linhas retas raramente ocorrem em situações de comunicações globais, e os atrasos são criados quando o sinal passa através de um switch ou sinal regenerador eletrônico.
Vôos espaciais e astronomia
Da mesma forma, as comunicações entre a Terra e naves espaciais não são instantâneos. Há um breve atraso da fonte para o receptor, que se torna mais perceptível como distâncias aumentam. Este atraso foi significativo para as comunicações entre controle de solo e Apollo 8 , quando se tornou a primeira espaçonave tripulada para a órbita da Lua: para cada pergunta, a estação de controle em terra tiveram que esperar pelo menos três segundos para a resposta chegar. O atraso comunicações entre a Terra e Marte pode variar entre cinco e 20 minutos, dependendo das posições relativas dos dois planetas. Como consequência disto, se um robô na superfície de Marte eram para encontrar um problema, seus controladores humanos seria não estar ciente de que até, pelo menos, cinco minutos mais tarde, e possivelmente até vinte minutos mais tarde; seria então levar mais cinco a vinte minutos para obter instruções para viajar da Terra para Marte.
NASA deve esperar várias horas para obter informações a partir de uma sonda na órbita de Júpiter, e se ele precisa corrigir um erro de navegação, a correção não vai chegar na nave espacial para uma quantidade igual de tempo, criando um risco de a correcção não chegar a tempo.
Receber luz e outros sinais provenientes de fontes astronômicas distantes pode até demorar muito mais tempo. Por exemplo, ele tomou 13 bilhões de (13 × 10 9 anos) para a luz viajar para a Terra a partir das galáxias distantes viram no Hubble imagens campo ultra profundo. Essas fotografias, tomada hoje, capturar imagens das galáxias como eles apareceram 13 bilhões de anos, quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos de idade. O fato de que os objetos mais distantes parecem ser mais jovem, devido à velocidade finita da luz, permite aos astrónomos inferir a evolução das estrelas, de galáxias, e do próprio universo.
Distâncias astronômicas são por vezes expressos em anos-luz, especialmente em populares publicações de ciência e mídia. Um ano-luz é a distância percorrida pela luz em um ano, em torno de 9461 bilião quilômetros, 5879000000000 milhas, ou 0,3066 parsecs. Em números redondos, um ano-luz é cerca de 10 trillion km ou cerca de 6 trillion milhas. Proxima Centauri , a estrela mais próxima da Terra depois do Sol, é de cerca de 4,2 anos-luz de distância.
Medição de distância
Radar sistemas medir a distância de um alvo, o tempo que leva um pulso de onda de rádio para retornar para a antena de radar depois de ser reflectido pelo alvo: a distância ao alvo é metade da de ida e volta do tempo de trânsito multiplicada pela velocidade da luz . A Sistema de Posicionamento Global (GPS) mede o seu raio de satélites GPS com base em quanto tempo leva para um sinal de rádio para chegar de cada satélite e, a partir destas distâncias calcula a posição do receptor. Como a luz viaja cerca de 300.000 quilômetros (186.000 milhas) em um segundo, estas medições de pequenas frações de segundo deve ser muito preciso. O Laser Lunar Variando Experiment, astronomia radar eo Deep Space Network determinar distâncias à Lua, planetas e naves espaciais, respectivamente, medindo os tempos de trânsito de ida e volta.
Medição
Há maneiras diferentes para determinar o valor de c. É uma maneira de medir a velocidade real na qual ondas de luz se propagam, o que pode ser feito de várias configurações astronômicas e à base de terras. No entanto, também é possível determinar c de outras leis físicas em que aparece, por exemplo, através da determinação dos valores das constantes electromagnéticos 0 e ε μ 0 e usando sua relação com c. Historicamente, os resultados mais precisos foram obtidos determinando separadamente a frequência e comprimento de onda de um feixe de luz, com o seu produto igualando C.
Em 1983, o medidor foi definido como "o comprimento do trajecto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299,792,458 de um segundo", que fixa o valor da velocidade da luz em 299.792.458 m / s, por definição, tal como descrito abaixo . Por conseguinte, as medições precisas da velocidade da luz produzir uma realização precisa do medidor, em vez de um valor preciso de c.
Medições astronômicas
O espaço exterior é um ajuste natural para medir a velocidade da luz devido à sua grande escala e quase perfeita vácuo. Tipicamente, mede-se o tempo necessário para que a luz atravesse a alguma distância de referência no sistema de energia solar , tal 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 conhecida, em unidades terrestres. É costume expressar os resultados em unidades astronômicas (UA) por dia. Uma unidade astronômica é aproximadamente a distância média entre a Terra eo Sol; que não se baseia na Sistema Internacional de Unidades. Porque a UA determina um comprimento real, e não se baseia em tempo-de-voo como as unidades do SI, medições modernas da velocidade da luz em unidades astronómicas por dia pode ser comparado com o valor de c definido no Sistema Internacional de Unidades .
Ole Christensen Rømer usada uma medida astronômica para fazer a primeira estimativa quantitativa da velocidade da luz. Quando medido a partir da Terra, os períodos de luas que orbitam um planeta distante são mais curtos quando a Terra está se aproximando do planeta do que quando a Terra está se afastando dele. A distância percorrida pela luz do planeta (ou sua lua) para a Terra é menor quando a Terra está no ponto em sua órbita mais próximo da sua planeta do que quando a Terra está no ponto mais distante em sua órbita, a diferença de distância sendo o diâmetro da órbita da Terra em torno do Sol A variação observada no período orbital da lua é efectivamente a diferença no tempo que a luz leva para atravessar a distância mais curta ou mais longa. Rømer observou este efeito para Júpiter lua mais interna 's Io e deduziu que a luz leva 22 minutos para atravessar o diâmetro da órbita da Terra.
Outro método consiste em utilizar a aberração da luz , descobriu e explicado pela James Bradley, no século 18. Este efeito resulta da adição de vetores da velocidade da luz que chega de uma fonte distante (como uma estrela) e a velocidade do seu observador (ver diagrama à direita). Um observador que se move vê, assim, a luz proveniente de uma direcção ligeiramente diferente e, consequentemente, beneficia a fonte numa posição deslocada da sua posição original. Como a direção da velocidade da Terra muda continuamente como a Terra orbita o Sol, esse efeito faz com que a posição aparente das estrelas para se mover. A partir da diferença angular na posição das estrelas (maximamente 20,5 segundos de arco) é possível expressar a velocidade da luz em termos de velocidade da Terra em volta do Sol, o que com o comprimento conhecido de um ano pode ser facilmente convertido para o tempo necessário para viajar do Sol à Terra. Em 1729, Bradley utilizado este método para derivar que a luz viajou 10.210 vezes mais rápido que a Terra em sua órbita (a figura moderna é 10.066 vezes mais rápido) ou, de forma equivalente, que levaria luz 8 minutos 12 segundos para viajar do Sol à Terra.
Hoje em dia, o "tempo de iluminação unidade de distância" -o inversa de C , expresso em segundos por unidade astronomia-é medida pela comparação do tempo para sinais de rádio para atingir sonda diferente no sistema solar, com a sua posição calculada a partir dos efeitos gravitacionais Sol e vários planetas. Ao combinar muitas dessas medidas, um valor mais adequado para o tempo de luz por unidade de distância é obtido. A partir de 2009, a melhor estimativa, tal como aprovado pela União Astronômica Internacional (IAU), é:
- tempo de luz por unidade de distância:499,004783836 (10) s
- c=0,00200398880410 (4) UA / s=173,144632674 (3) R / dia.
A incerteza relativa a estas medidas é de 0,02 partes por bilhão (2 × 10 -11 ), equivalente à incerteza em medições terrestres de comprimento por interferometria. Uma vez que o medidor é definida como sendo o comprimento percorrido pela luz em um determinado intervalo de tempo, a medida do tempo que a luz por unidade de distância também pode ser interpretado como a medição do comprimento de uma UA em metros.
Tempo de técnicas de voo
Um método para medir a velocidade da luz é medir o tempo necessário para a luz viajar para um espelho a uma distância conhecida e para trás. Este é o princípio de funcionamento por trás do aparelho de Fizeau-Foucault desenvolvido por Hippolyte Fizeau e Léon Foucault.
A configuração como o usado por Fizeau consiste de um feixe de luz direcionado para um espelho 8 km (5 milhas) de distância. No caminho a partir da fonte para o espelho, o feixe passa através de uma roda dentada rotativa. A uma certa velocidade de rotação, o feixe passa através de uma fenda no caminho para fora e uma outra sobre o caminho de volta, mas a taxas ligeiramente mais elevadas ou mais baixas, o feixe atinge um dente e não passa através da roda. Sabendo que a distância entre a roda e o espelho, o número de dentes na roda, e a velocidade de rotação, a velocidade da luz pode ser calculada.
O método de Foucault substitui a roda dentada de um espelho rotativo. Porque o espelho mantém girando enquanto a luz viaja para o espelho distante e para trás, a luz é refletida pelo espelho rotativo em um ângulo diferente em seu caminho para fora do que está em seu caminho de volta. Desta diferença de ângulo, a velocidade de rotação conhecido e a distância para o espelho distante da velocidade da luz pode ser calculada.
Hoje em dia, utilizando osciloscópios com resoluções de tempo inferior a um nanossegundo, a velocidade da luz pode ser medido directamente com o atraso de temporização de um impulso de luz de um laser ou um diodo emissor de luz reflectida a partir de um espelho. Este método é menos preciso (com erros da ordem de 1%) do que outras técnicas modernas, mas é usado às vezes como um experimento de laboratório em aulas de física da faculdade.
Constantes eletromagnéticas
Uma opção para derivar c que não dependem directamente de uma medição de propagação de ondas electromagnéticas é usar a relação entre C e a permissividade vácuo ε 0 e permeabilidade vácuo μ 0 estabelecida pela teoria de Maxwell: c 2 = 1 / ( £ 0 u 0 ). A permissividade vácuo pode ser determinada através da medição da capacitância e dimensões de um condensador, enquanto que o valor da permeabilidade de vácuo é fixado exactamente 4π × 10 -7 H · m -1 através da definição da amperagem. Rosa e Dorsey utilizado este método em 1907 para encontrar um valor de 299.710 ± 22 km / s .
Ressonância cavidade
Outra forma de medir a velocidade da luz é medir independentemente a frequência F e comprimento de onda λ de uma onda electromagnética no vácuo. O valor de c , em seguida, pode ser encontrada utilizando a relação C = fλ . Uma opção consiste em medir a frequência de ressonância de um ressonador de cavidade. Se as dimensões da cavidade de ressonância são também conhecidos, estes podem ser usados determinar o comprimento de onda da onda. Em 1946, Louis Essen e AC Gordon-Smith para determinar a frequência de uma variedade de modos normais de microondas de uma cavidade de microondas de dimensões conhecidas precisamente. As dimensões foram estabelecidos com uma precisão de cerca de ± 0,8 mm utilizando medidores calibrados por interferometria. À medida que o comprimento de onda dos modos era conhecida a partir da geometria da cavidade e da teoria electromagnética , o conhecimento das frequências associadas activado um cálculo da velocidade da luz.
O resultado Essen-Gordon-Smith, 299.792 ± 9 km / s , foi substancialmente mais preciso do que os encontrados por técnicas ópticas. Em 1950, as medições repetidas por Essen estabeleceu um resultado de 299,792.5 ± 3,0 km / s .
Uma demonstração doméstico desta técnica é possível, usando um forno de microondas e alimentos, tais como marshmallows ou margarina: se o prato giratório é removido de modo que o alimento não se move, ele irá cozinhar mais rápido nos antinodos (os pontos em que a amplitude da onda é o maior), onde ele vai começar a derreter. A distância entre dois pontos tais é metade do comprimento de onda das microondas; Esta distância é medida por e multiplicando-se o comprimento de onda da frequência de microondas (normalmente exibido na parte de trás do forno, tipicamente 2450 MHz), o valor de C pode ser calculada, "frequentemente com menos de 5% de erro".
Interferometria
Interferometria é um outro método para encontrar o comprimento de onda de radiação electromagnética para a determinação da velocidade da luz. A feixe coerente de luz (por exemplo, a partir de um a laser ), com uma frequência conhecida ( F ), é dividido de modo a seguir dois caminhos e depois recombinados. Ao ajustar o comprimento do caminho ao observar o padrão de interferência e medindo cuidadosamente a mudança no comprimento do percurso, o comprimento de onda da luz ( λ ) pode ser determinada. A velocidade da luz é então calculada usando a equação C = λf .
Antes do advento da tecnologia laser, coerentes rádio fontes foram usadas para as medições de interferometria da velocidade da luz. No entanto determinação interferométrico de comprimento de onda se torna menos preciso, com comprimento de onda e os experimentos foram, assim, limitado em precisão pelo comprimento de onda longo (~ 0,4 centímetros) das ondas de rádio. A precisão pode ser melhorada pela utilização de luz com um comprimento de onda mais curto, mas, em seguida, torna-se difícil de medir directamente a frequência da luz. Uma forma de contornar esse problema consiste em começar com um sinal de frequência baixa do que a frequência pode ser medida com precisão, e a partir deste sinal sintetizar progressivamente sinais de frequência mais elevada, cuja frequência pode, então, ser ligado ao sinal original. Um laser pode, então, ser preso à frequência, e o seu comprimento de onda pode ser determinada utilizando interferometria. Esta técnica foi devido a um grupo no National Bureau of Standards (NBS) (que mais tarde se tornou NIST). Usaram-no em 1972 para medir a velocidade da luz no vácuo com uma incerteza fracionária de 3,5 × 10 -9 .
História
| 1675 | Romer eHuygens, luas de Júpiter | 220.000 |
| 1729 | James Bradley, a aberração da luz | 301000 |
| 1849 | Hippolyte Fizeau, roda dentada | 315.000 |
| 1862 | Léon Foucault, espelho rotativo | 298.000±500 |
| 1907 | Rosa e Dorsey,EMconstantes | 299.710±30 |
| 1926 | Albert Michelson, espelho rotativo | 299.796±4 |
| 1950 | Essen e Gordon-Smith, ressonador de cavidade | 299,792.5±3.0 |
| 1958 | KD Froome, interferometria rádio | 299,792.50±0,10 |
| 1972 | Evensonet al., interferometria laser de | 299,792.4562±0,0011 |
| 1983 | 17a CGPM, definição do metro | 299,792.458(exato) |
Até o início do período moderno, não se sabia se a luz viajou instantânea ou com uma velocidade finita muito rápido. O primeiro exame gravado existente sobre este assunto estava na Grécia antiga . Os gregos antigos, estudiosos muçulmanos e cientistas europeus clássicos debatido por muito tempo até que este Rømer desde que o primeiro cálculo da velocidade da luz. Teoria da Relatividade Especial de Einstein concluiu que a velocidade da luz é constante, independentemente de seu quadro de referência. Desde então, os cientistas forneceram medições cada vez mais precisas.
História antiga
Empedocles foi o primeiro a reivindicação que a luz tem uma velocidade finita. Ele sustentou que a luz era algo em movimento e, portanto, deve levar algum tempo para viajar. Aristóteles argumentou, ao contrário, que "a luz é devido à presença de alguma coisa, mas não é um movimento". Euclides e Ptolomeu avançou a emissão teoria de visão, onde a luz é emitida a partir do olho, permitindo assim à vista. Com base nessa teoria, Heron de Alexandria argumentou que a velocidade da luz deve ser infinito porque os objetos distantes, como estrelas aparecem imediatamente após a abertura dos olhos.
Filósofos islâmicos inicialmente acordado com a visão aristotélica de que a luz não tinha velocidade de deslocação. Em 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicou o Livro de Óptica , no qual ele apresentou uma série de argumentos que indeferiram a teoria da emissão em favor da teoria intromissão agora aceite de visão, em que a luz se move a partir de um objeto no olho. Isto levou a propor Alhazen 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 a matéria substancial, a propagação da qual requer tempo, mesmo que isso está oculto de nossos sentidos. Também no século 11, Abū rayhan al-Bīrūnī concordou que a luz tem uma velocidade finita, e observaram que a velocidade da luz é muito mais rápido do que a velocidade do som.
No século 13, Roger Bacon argumentou que a velocidade da luz no ar não era infinito, usando argumentos filosóficos apoiados pela escrita de Alhazen e Aristóteles. Nos 1270, Witelo considerou a possibilidade de luz que viaja a uma velocidade infinita no vácuo, mas desacelerando em corpos mais densos.
No início do século 17, Johannes Kepler acreditava que a velocidade da luz era infinito, uma vez que o espaço vazio não apresenta nenhum obstáculo para isso. René Descartes argumentou que, se a velocidade da luz fosse finito, o Sol, a Terra ea Lua seria visivelmente fora de alinhamento durante um eclipse lunar . Uma vez que tal desalinhamento não tinha sido observado, Descartes concluiu a velocidade da luz era infinito. Descartes especulou que, se a velocidade da luz foram encontrados para ser finito, todo o seu sistema de filosofia pode ser demolido.
Tentativas primeira medição
Em 1629, Isaac Beeckman propôs um experimento em que uma pessoa observa o flash de um canhão que reflete fora de um espelho cerca de uma milha (1,6 km) de distância. Em 1638, Galileu Galilei propôs um experimento, com uma aparente pretensão de tê-la executado alguns anos antes, para medir a velocidade da luz, observando o atraso entre descobrindo uma lanterna e sua percepção a alguma distância. Ele era incapaz de distinguir se a viagem luz foi instantânea ou não, mas concluiu que, se não fosse, deve, contudo, ser extraordinariamente rápido. O experimento de Galileu foi realizada pela Accademia del Cimento de Florença, Itália, em 1667, com as lanternas separados por cerca de uma milha, mas nenhum atraso foi observada. O atraso real nesta experiência teria sido de cerca de 11 microssegundos.
A primeira estimativa quantitativa da velocidade da luz foi feita em 1676 por Rømer (veja determinação de Romer da velocidade da luz). A partir da observação de que os períodos de lua mais interna de Júpiter Io parece ser menor quando a Terra estava se aproximando de Júpiter do que quando se afastando dele, ele concluiu que a luz viaja a uma velocidade finita, e estima-se que a luz leva 22 minutos para cruzar o diâmetro da órbita da Terra. Christiaan Huygens combinado esta estimativa com uma estimativa para o diâmetro da órbita da Terra para obter uma estimativa da velocidade da luz de 220,000 km / s , 26% menor do que o valor real.
Em seus 1.704 livros Opticks , Isaac Newton relatou os cálculos de Romer da velocidade da luz finita e deu um valor de "sete ou oito minutos" para o tempo necessário para a luz viajar do Sol para a Terra (o valor moderno é de 8 minutos e 19 segundos). Newton perguntado se sombras eclipse de Romer foram coloridas; ouvir que eles não eram, concluiu as diferentes cores viajou com a mesma velocidade. Em 1729, James Bradley descobriu a aberração da luz . A partir deste fato, ele determinou que a luz deve viajar 10.210 vezes mais rápido que a Terra em sua órbita (a figura moderna é 10.066 vezes mais rápido) ou, de forma equivalente, que levaria luz 8 minutos 12 segundos para viajar do Sol à Terra.
Conexões com o eletromagnetismo
No século 19 Hippolyte Fizeau desenvolvido um método para determinar a velocidade da luz com base em medições de tempo-de-voo na Terra e relataram um valor de 315,000 km / s . Seu método foi melhorado por Léon Foucault que obteve um valor de 298,000 km / s , em 1862. No ano de 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch medido a relação das unidades eletromagnéticas e eletrostáticas de carga, 1 / √ £ 0 u 0 , descarregando uma garrafa de Leyden , e descobriram que o seu valor numérico era muito próxima da velocidade da luz, medida directamente por Fizeau. No ano seguinte Gustav Kirchhoff calculado que um sinal eléctrico num resistanceless fio se desloca ao longo do fio a esta velocidade. No início da década de 1860, Maxwell mostrou que de acordo com a teoria do eletromagnetismo que ele estava trabalhando, que as ondas eletromagnéticas se propagam no espaço vazio a uma velocidade igual à proporção acima Weber / Kohrausch, e chamando a atenção para a proximidade numérica deste valor para a velocidade da luz, medida pelo Fizeau, ele propôs que a luz é de fato uma onda eletromagnética.
"Éter luminífero"
Pensou-se no momento em que o espaço vazio foi cheio com um meio de fundo chamado o éter luminoso em que o campo electromagnético existia. Alguns físicos pensaram que este éter actuou como um quadro de referência preferida para a propagação da luz e, portanto, deve ser possível medir o movimento da Terra no que diz respeito a este meio, através da medição da isotropia da velocidade da luz. Começando nos 1880s vários experimentos foram realizados para tentar detectar este movimento, o mais famoso dos quais é o experimento realizado por Albert Michelson e Edward Morley em 1887. O movimento detectado foi sempre menor que o erro observacional. As experiências modernas indicam que o bidirecional velocidade da luz é isotrópica (o mesmo em todas as direções) para dentro de 6 nanómetros por segundo. Devido a esta experiência Hendrik Lorentz proposto que o movimento do aparelho através do éter pode fazer com que o aparelho para contrair ao longo do seu comprimento na direcção de movimento, e ainda mais assumido que, se a variável de tempo para os sistemas em movimento deve também ser alterado em conformidade (" tempo local "), o que levou à formulação da transformação de Lorentz. Baseado em teoria do éter de Lorentz, Henri Poincaré (1900) mostrou que essa hora local (a primeira ordem em v / c) é indicado por relógios em movimento no éter, que são sincronizados sob o pressuposto da velocidade da luz constante. Em 1904, especulou que a velocidade da luz poderia ser uma velocidade limite em dinâmica, desde que os pressupostos da teoria de Lorentz são todas confirmadas. Em 1905, Poincaré trouxe teoria do éter de Lorentz em acordo observacional completa com o princípio da relatividade.
A relatividade especial
Em 1905, Einstein postulou desde o início que a velocidade da luz no vácuo, medido por um observador não-aceleração, é independente do movimento da fonte ou observador. Usando este eo princípio da relatividade como base ele derivou a teoria da relatividade especial , em que a velocidade da luz no vácuo c caracterizado como uma constante fundamental, aparecendo também em contextos não relacionados à luz. Isso fez com que o conceito do éter estacionário (a que Lorentz e Poincaré ainda aderido) inútil e revolucionou os conceitos de espaço e tempo.
Maior precisão dece redefinição do contador
Na segunda metade do século 20 muito progresso foi feito para aumentar a precisão das medições da velocidade da luz, em primeiro lugar por técnicas de ressonância da cavidade e mais tarde por meio de técnicas de interferometria laser. Em 1972, utilizando o último método e a definição do medidor 1960, em termos de uma linha espectral particular de crípton-86, um grupo de NBS em Boulder, Colorado determinada a velocidade da luz no vácuo para ser c = 299,792,456.2 ± 1,1 m / s . Este foi 100 vezes menos incerto do que o valor previamente aceite. A incerteza remanescente foi relacionada principalmente à definição do metro. Desde experimentos semelhantes encontraram resultados comparáveis para c , a 15ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), em 1975, recomendou o uso do valor 299.792.458 m / s para a velocidade da luz.
Em 1983, a 17a CGPM redefinido o medidor assim, "O medidor é o comprimento do trajecto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de um segundo." Como resultado desta definição, o valor da velocidade da luz no vácuo é exactamente 299.792.458 m / s e tornou-se uma constante definida no sistema de unidades SI. Técnicas experimentais melhoradas não afecta o valor da velocidade da luz em unidades SI, mas em vez disso para permitir uma compreensão mais precisa do medidor.
