terça-feira, 15 de outubro de 2013

Entenda o que é a Velocidade da Luz

O que é Luz??
A luz é uma onda eletromagnética, cujo comprimento de onda se inclui num determinado intervalo dentro do qual o olho humano é a ela sensível. Trata-se, de outro modo, de uma radiação electromagnética que se situa entre a radiação infravermelha e a radiação ultravioleta. As três grandezas físicas básicas da luz são herdadas das grandezas de toda e qualquer onda eletromagnética: intensidade (ou amplitude), frequência e polarização (ângulo de vibração). No caso específico da luz, a intensidade se identifica com o brilho e a frequência com a cor. Deve ser ressaltada também a dualidade onda-partícula, característica da luz como fenômeno físico, em que esta tem propriedades de onda e partículas, sendo válidas ambas as teorias sobre a natureza da luz.

Um raio de luz é a trajetória da luz em determinado espaço, e sua representação indica de onde a luz é criada (fonte) e para onde ela se dirige. O conceito de raio de luz foi introduzido por Alhazen. Propagando-se em meio homogéneo, a luz percorre trajetórias retilíneas; somente em meios não-homogêneos a luz pode descrever trajetórias curvas.


Velocidade da Luz

A velocidade da luz no vácuo é de “exatamente 299.792.458 metros por segundo.” A razão pelo fato de que hoje podemos dizer isso de forma tão precisa é porque a velocidade da luz no vácuo é uma constante universal que já foi medida com lasers; e quando um experimento envolve lasers, é difícil argumentar contra os resultados. O fato de o resultado ser algo tão exato como um número inteiro não é coincidência — o tamanho do metro é definido por essa constante: “o tamanho de um caminho percorrido pela luz no vácuo dura o intervalo de 1/299.792.458 de um segundo.”
Há alguns séculos, era consenso, ou pelo menos a maioria acreditava que a velocidade da luz era infinita. Na realidade ela é apenas muito, muito rápida — como referência, a velocidade da luz só é um pouquinho mais lenta que a coisa mais rápida conhecida no universo — o tempo de resposta de uma menina se o Justin Bieber disser no Twitter “quem der o primeiro reply neste tuíte será minha nova namorada.”
A primeiro pessoa a questionar essa história de que ” a velocidade da luz é infinita” de que se tem notícia foi o filósofo Empédocles, no século V a.C. Menos de um século depois, Aristóteles discordaria de Empédocles e a discussão continuaria por mais de dois mil anos depois.
Uma das primeiras pessoas a de fato aparecer com um experimento tangível para testar se a luz tinha de fato uma velocidade foi o cientista holandês Isaac Beeckman, em 1629. Apesar de ter vivido em uma época anterior aos lasers (o que me dá arrepios só de pensar), Beeckman entendeu que, sem lasers, a base para qualquer bom experimento científico deveria sempre envolver explosões de alguma espécie; assim, seu experimento envolvia a detonação de pólvora.
Beeckman colocou espelhos a várias distâncias da explosão e perguntou a observadores se eles conseguiam ver quaisquer diferenças no flash de luz refletido em cada espelho que seus olhos alcançassem. Como você provavelmente deve ter adivinhado, o experimento foi “inconclusivo”.
Um experimento similar mais famoso que não envolvia explosões foi possivelmente conduzido ou pelo menos proposto por Galileu Galilei apenas uma década depois, em 1638. Galileu, assim como Beeckman, suspeitava que a velocidade da luz não era infinita e fez referências a um experimento que envolvia lanternas em um dos seus trabalhos. Seu experimento (se ele chegou mesmo a pô-lo em prática) envolvia colocar duas lanternas a uma milha de distância e tentar ver se havia qualquer atraso perceptível entre as duas; os resultados foram inconclusivos. A única coisa que Galileu poderia supor é que se a luz não era infinita, ela era rápida demais – e experimentos em escala tão pequena estavam destinados ao fracasso.
Apenas com o envolvimento do astrônomo dinamarquês Ole Römer que a batalha para mensurar a velocidade da luz ficou séria. Em um experimento que fazia as lanternas de Galileu parecerem um projeto de feita de ciência, Römer determinou que, sem lasers e explosões, um experimento deveria sempre envolver o espaço sideral. Assim, ele baseou suas observações no movimento dos planetas, anunciando seus resultados sem precedentes em 22 de agosto de 1676.
De modo mais detalhado, enquanto observava uma das luas de Júpiter, Römer notou que o tempo entre os eclipses podia variar ao longo do ano (baseado no movimento da Terra em relação a Júpiter, se ela estava se aproximando ou se distanciando). Curioso com isso, Römer começou a tomar cuidadosas notas sobre o tempo que a Io (a lua que ele observava) entraria em seu campo de visão e como ela se correlacionava ao tempo em que era normalmente esperada. Depois de um tempo, Römer notou que na medida em que a Terra orbitava o Sol e se afastava de Júpiter, o tempo que a Io levava para poder ser vista era maior que o esperado segundo suas anotações. Römer teorizou (corretamente) que isso ocorria porque a luz refletida da Io não viajava instantaneamente.
Infelizmente, os cálculos exatos que ele usou se perderam no incêndio em Copenhagen, em 1728, mas temos uma boa noção das coisas através de notícias da sua descoberta e de outros cientistas da época que usaram os números de Römer em seus trabalhos. A essência dele é que usando um punhado de cálculos espertos envolvendo o diâmetro das órbitas da Terra e de Júpiter, Römer foi capaz de concluir que levava cerca de 22 minutos para a luz atravessar o diâmetro da órbita da Terra ao redor do Sol. Mais tarde, Christiaan Huygens converteu isso para números mais mundanos, mostrando que pelas estimativas de Römer, a luz viajava a cerca de 220 mil km/h. Essa medida é um pouco distante (cerca de 27%) do número observado no primeiro parágrafo, mas chegaremos lá daqui a pouco.
Quando os colegas de Römer quase que totalmente expressaram dúvidas sobre sua teoria baseada na Io, ele respondeu calmamente a eles que o eclipse da Io de 9 de novembro de 1676 aconteceria com 10 minutos de atraso. Quando a hora chegou, os céticos ficaram boquiabertos com o movimento de um corpo dando credibilidade às conclusões dele.
Os colegas de Römer estavam certos em se surpreenderem com suas estimativas, já que ainda hoje elas são consideradas incrivelmente precisas, mesmo tendo sido feitas 300 anos antes do laser, da Internet e do cabelo do Conan O’Brien. Tudo bem, era 80 mil quilômetros por segundo mais lento, mas dado o estado da ciência e da tecnologia naquele tempo, isso é notável, impressionante, especialmente porque ele começou trabalhando apenas com sua intuição.
O mais incrível é que o motivo pelo qual a estimativa de Römer ter sido mais lenta que o valor real tem menos a ver com erros de sua parte e mais com o fato de que os diâmetros das órbitas da Terra e de Júpiter comumente aceitos estavam errados quando Römer fez seus cálculos. Isso quer dizer que, sim, Römer só errou porque outras pessoas não eram tão boas de ciência quanto ele. Na realidade, se você corrigir os números das órbitas no que se acredita sejam os cálculos originais dos seus relatórios antes deles terem sido destruídos pelo mencionado incêndio, sua estimativa é muito próxima do número correto.
Então mesmo que acidentalmente errado e que James Bradley tenha aparecido com um número mais preciso em 1729, Römer está marcado na história como o primeiro a provar que a velocidade da luz não era infinita e chegar a um valor razoavelmente preciso da velocidade observando os movimentos de uma bola gigante de gás posicionada a 780 milhões de quilômetros. É dessa forma, senhoras e senhores, que um cara sensacional, sem a ajuda de lasers, faz ciência.
Bônus:
  • A energia necessária para parar a órbita da Terra ao redor do Sol é de cerca de 2,6478 × 10^33 joules ou 7,3551 × 10^29 watt hora ou 6,3285*10^17 megatons de dinamite. Para referência, a maior explosão nuclear já detonada (a Bomba Tsar, pela União Soviética) produziu “apenas” o equivalente a 50 megatons de energia. Seria preciso explodir 12.657.000.000.000.000 dessas bombas nucleares, no mesmo local exato, para parar o movimento de translação.
  • Além do debate sobre a velocidade infinita da luz, um outro comum ao longo da história é se a luz se origina no olho ou em algo externo. Dentre os famosos cientistas que acreditam na teoria de que a “luz é emitida do olho” estão Ptolomeu e Euclides. A maioria que achava que esta teoria está correta também acreditava que a velocidade da luz deveria ser infinita, porque no momento em que abrimos os olhos podemos ver um vasto número de estrelas no céu noturno e aquele número não aumenta se ficamos olhando por mais tempo, a menos que, claro, estivéssemos olhando antes para uma luz brilhante e nossos olhos estivessem se ajustando à escuridão.

1 comentários:

Danilo Procópio disse...

Excelente Muitíssimo Obrigado....

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