Por que a velocidade da luz é constante

Rosimar Gouveia

Professora de Matemática e Física

A velocidade da luz no vácuo é de 299 792 458 m/s. Para facilitar os cálculos que envolvem a velocidade da luz, usamos frequentemente a aproximação:

c = 3,0 x 108 m/s ou c = 3,0 x 105 km/s

O valor da velocidade da luz é extremamente elevado. Para se ter uma ideia, enquanto a velocidade do som no ar é de aproximadamente 1 224 km/h, a velocidade da luz é de 1 079 252 849 km/h.

É exatamente por essa razão que quando ocorre uma tempestade, vemos o clarão (relâmpago) de um raio muito antes que escutamos seu ruído (trovão).

Em uma tempestade podemos perceber a grande diferença entre a velocidade do som e da luz.

Ao se propagar em outros meios, diferentes do vácuo, a velocidade da luz sofre uma redução no seu valor.

Na água, por exemplo, sua velocidade é igual a 2,2 x 105 km/s.

Uma consequência deste fato é o desvio sofrido por um feixe luminoso ao mudar o meio de propagação.

Esse fenômeno ótico é chamado de refração e ocorre pela mudança na velocidade da luz em função do meio de propagação.

Devido a refração a colher parece "quebrada"

De acordo com a Teoria da Relatividade de Albert Einstein nenhum corpo pode alcançar velocidade superior ao da velocidade da luz.

Velocidade da Luz para Diferentes Meios Óticos

Na tabela abaixo, encontramos os valores da velocidade quando a luz se propaga em diferentes meios transparentes.

História

Até meados do século XVII, acreditava-se que o valor da velocidade da luz era infinito. A preocupação com o tema é uma constante ao longo da história. Aristóteles (384-322 a.C.) já observava que a luz levava algum tempo para chegar à Terra.

Ele próprio, contudo, chegava a discordar e até Descartes tinha a ideia de que a luz viajava instantaneamente.

Galileu Galilei (1554-1642) tentou medir a velocidade da luz, usando um experimento com duas lanternas separadas por uma grande distância. Contudo, os equipamentos usados não foram capazes de fazer tal medição.

Foi somente em 1676 que um astrônomo dinamarquês chamado Ole Romer fez a primeira medição real da velocidade da luz.

Trabalhando no Observatório Real de Paris, Romer elaborou um estudo sistemático de Io, uma das luas de Júpiter. Ele percebeu que o planeta passava por eclipses em intervalos regulares com diferenças a partir do afastamento da Terra.

Em setembro de 1676, o cientista previu corretamente um eclipse - com 10 minutos de atraso. Ele apontou que, como a Terra e Júpiter se movem em órbitas, a distância entre eles varia.

Assim, a luz de Io - que é o reflexo do Sol - levou mais tempo para chegar à Terra. A demora aumentava à medida que os dois corpos celestes se distanciavam.

Quanto mais afastada de Júpiter, maior a distância extra para a luz percorrer o diâmetro igual ao da órbita da Terra em comparação com o ponto de maior aproximação. A partir dessas observações, Romer concluiu que a luz levou cerca de 22 minutos para cruzar a órbita da Terra.

Em resumo, as observações de Romer indicavam um número próximo ao da velocidade da luz. Mais tarde, chegou-se à precisão de 299 792 458 metros por segundo.

Em 1868, as equações do matemático e físico escocês James Clerk Maxwell tinham como base os trabalhos de Ampère, Coulomb e Faraday. Segundo ele, todas as ondas eletromagnéticas viajavam exatamente na mesma velocidade da luz no vácuo.

Maxwell concluiu, ainda, que a própria luz, em si, era um tipo de onda que viaja através de campos elétricos e magnéticos invisíveis.

O cientista apontou que a luz e outras ondas eletromagnéticas devem viajar a uma certa velocidade fixa em relação a algum objeto que ele batizou de "éter".

O próprio Maxwell não conseguiu explicar o funcionamento do "éter" e foi Einstein que solucionou a questão. Segundo o cientista alemão, a velocidade da luz é constante e não depende do observador.

A compreensão da velocidade da luz passa, assim, a ser o alicerce da Teoria da Relatividade.

Saiba mais em:

A velocidade da luz mede o espaço percorrido pelas ondas eletromagnéticas a cada segundo. No vácuo, as ondas eletromagnéticas propagam-se com velocidade constante de, aproximadamente, 299.792.458 metros por segundo.

A letra c, usada para representar a velocidade da luz no vácuo, tem origem do latim celeritas, que significa rapidez.

Velocidade da luz e metro

O Sistema Internacional de Unidades (SI) utiliza a velocidade da luz para definir sua unidade de distância, o metro. De acordo com o SI, o metro corresponde ao espaço percorrido pela luz durante o tempo de 1/299.792.458 s. Além do metro, existem unidades astronômicas que são definidas a partir da velocidade da luz, como o ano-luz, que mede a distância percorrida pela luz no vácuo e é equivalente a 9,46 trilhões de quilômetros.

Quem mediu a velocidade da luz?

Alguns estudiosos importantes da antiguidade, como Aristóteles de Estagira e Heron de Alexandria, acreditavam que, apesar de muito alta, a velocidade da luz tinha um valor finito.

Em 1638, o físico italiano Galileu Galilei fez diversos experimentos para aferir a velocidade da luz. Sem sucesso, Galileu inferiu que os aparelhos de medida da época não eram suficientemente precisos para medir o tempo de propagação da luz de um ponto a outro.

Ole Romer, astrônomo dinamarquês, divulgou em 1676 medidas mais precisas da velocidade da luz. Para tanto, ele percebeu que a duração do eclipse de algumas das luas de Júpiter era maior em certas épocas do ano, logo, a Terra estaria mais distante dessas luas nessas ocasiões. Dessa forma, a luz proveniente delas levaria mais tempo para chegar à Terra.

Em 1849, o francês Armand Hyppolyte Fizeau apresentou uma medida da velocidade da luz muito mais precisa que as medidas anteriores. Fizeau, inspirado em um experimento já existente, montou uma roda dentada e uma associação de espelhos. Usando essa configuração experimental e controlando a velocidade de rotação da roda dentada, Fizeau conseguiu determinar a velocidade da luz com cerca de 10% de erro em relação às medidas conhecidas atualmente.

Veja também: Velocidade da luz vs velocidade do som

O que afeta a velocidade da luz?

A velocidade da luz é afetada pelo índice de refração do meio no qual se propaga. Quanto maior for o índice de refração de um meio no qual a luz propaga-se, menor será sua velocidade. O índice de refração absoluto é dado pela razão da velocidade da luz no vácuo (c) pela velocidade da luz no meio (v) e é dado pela equação abaixo:

n – índice de refração
c – velocidade da luz no vácuo
v – velocidade da luz no meio

O índice de refração absoluto é adimensional, isto é, não apresenta uma unidade física, tratando-se, portanto, de um número. Além disso, esse número é sempre maior que 1.

Confira uma tabela com o índice de refração absoluta de alguns meios físicos conhecidos:

James Clerk Maxwell desenvolveu as equações do eletromagnetismo, usadas para descrever a luz como uma onda eletromagnética transversal. Os cálculos feitos por Maxwell permitiram determinar a velocidade da luz por meio de constantes físicas mais fundamentais do meio em que a luz propaga-se: permissividade elétrica (ε0) e permeabilidade magnética (μ0) do vácuo. Hoje, sabemos calcular a velocidade da luz usando a expressão abaixo:

ε0 – permissividade elétrica do vácuo
μ0 – permeabilidade magnética do vácuo

Velocidade da luz no ar

A velocidade da luz no ar é, aproximadamente, igual à velocidade da luz no vácuo, uma vez que o índice de refração do ar atmosférico é de 1,00029. Por isso, adotamos o índice de refração do ar como 1.

Velocidade da luz em m/s e em km/s

Confira uma tabela com a velocidade da luz em diferentes unidades:

Veja também: Refração da luz

Fórmula da velocidade da luz

É possível determinarmos a velocidade da luz a partir de algumas de suas características, como seu comprimento de onda e sua frequência. Para tanto, precisamos utilizar uma fórmula chamada de relação de dispersão:

v – velocidade da luz
λ – comprimento de onda
f – frequência da luz

Por Me. Rafael Helerbrock