Velocidade da Luz

A velocidade da luz no vácuo é uma constante física importante, cujo valor é de aproximadamente 300 milhões de metros por segundo.

Apesar de nos parecer instantânea, a luz se move com velocidade finita, levando um tempo para chegar aos nossos olhos

A velocidade da luz, comumente denotada pela letra c, vale cerca de 299.792.458 m/s, ou seja, a cada segundo, a luz viaja aproximadamente 300.000 km ao se propagar no vácuo. A escolha da letra c deve-se à palavra em latim celeritas, que significa rapidez.

A velocidade da luz é utilizada para definir o metro, unidade de comprimento usada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) como a medida do espaço percorrido pela luz no vácuo em um tempo 1/299.792.458 segundo.

Quem mediu a velocidade da luz pela primeira vez?

A velocidade de propagação da luz era uma dúvida dos cientistas desde as civilizações mais antigas. Empédocles defendia que a luz tinha velocidade infinita. Ptolomeu e Euclides acreditavam que ela era emitida pelos olhos, e outros grandes filósofos e matemáticos gregos, como Aristóteles e Heron de Alexandria, acreditavam que a luz propagava-se por corpos, através do espaço, com velocidade finita. Essas visões influenciaram a forma de pensar de grandes cientistas, como Johannes Kepler (1571-1630) e René Descartes.

Em 1638, Galileu Galilei (1564-1642) chegou a realizar um experimento com intuito de calcular a velocidade da luz. Para isso, ele mediu o tempo que ela levava para deixar uma lanterna no alto de uma montanha e chegar em outra a 2 quilômetros de distância. Suas conclusões apontaram que o tempo para a luz percorrer essa distância era menor que 10^-5 s (0,00001 s), um intervalo muito pequeno para ser medido com os recursos tecnológicos disponíveis naquela época.

Pouco tempo depois, em 1676, o astrônomo dinamarquês Ole Romer observou que a duração dos eclipses das luas de Júpiter variava de acordo com a época do ano. Romer desconfiou que a variação era decorrente de a luz ter velocidade finita, considerando que a distância da Terra até as luas de Júpiter muda de acordo com suas órbitas.

Foi só em 1819 que um experimento conseguiu fornecer medidas precisas da velocidade da luz. Por meio de um espelho semirrefletor e de uma roda dentada giratória, o físico francês Armand Hyppolyte Fizeau conseguiu definir a velocidade da luz, com erro pouco menor que 10% em relação à medida atual.

O experimento de Fizeau funcionava da seguinte forma:

1. A luz era emitida por uma fonte de luz L. Essa luz era convergida por meio de uma lente convexa e direcionada para um espelho semirrefletor P, com um ângulo de 45º em relação aos raios de luz. Parte desses raios de luz passava através do espelho e parte deles era refletida;

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2. A parte dos raios que era refletida passava por uma roda dentada em rotação. Essa luz era refletida para um espelho S, cerca de 8 km adiante, e voltava. Fizeau regulava a velocidade de rotação de sua roda, já que a luz refletida levava um pequeno tempo para voltar até o espelho semirrefletor P, até não ser mais possível ver a imagem refletida pelo espelho S. Via-se apenas a imagem que passava originalmente pelo primeiro espelho.

Do que depende a velocidade da luz?

A velocidade da luz depende de uma propriedade dos meios ópticos chamada refringência. Quanto mais refringente for um meio, menor será a velocidade de propagação da luz em seu interior. A luz sofre refração ao propagar-se por algum meio que não o vácuo, e a medida de sua refração é chamada de índice de refração.

O índice de refração é a medida de quanto a velocidade da luz em um determinado meio foi reduzida em relação à sua velocidade no vácuo. É definido, portanto, como a razão entre a velocidade da luz no meio (v) pela velocidade da luz no vácuo (c).

Podemos tomar como exemplo o diamante: seu índice de refração é de 2,4, o que significa que a velocidade da luz no vácuo é 2,4 vezes mais rápida do que sua propagação no interior do diamante.

Por meio da união das equações de Eletricidade com as de Magnetismo, James Clerk Maxwell conseguiu desenvolver as equações do Eletromagnetismo que descrevem a luz como uma onda eletromagnética transversal. Por meio de seus cálculos, Maxwell conseguiu determinar a velocidade da luz baseando-se em constantes físicas ainda mais fundamentais: as constantes elétrica e magnética do vácuo, chamadas de permissividade (ε₀) e permeabilidade (μ₀) do vácuo. Dessa forma, a velocidade da luz pode ser obtida, por meio dessas duas constantes, pela expressão: