Astrofísica

Por que a velocidade da luz é de 300 mil km/s?

A velocidade da luz é uma das características mais impressionantes de todo o universo. Ao mesmo tempo que ela é extremamente veloz, é também muito lenta. Se você acende uma lanterna, a luz é rápida o suficiente para chegar ao chão quase que instantaneamente. Por outro lado, se você observa astros a milhares de quilômetros de distância, a velocidade da luz se mostra não ser tão instantânea assim. Da Lua até a Terra, a luz leva 1,2 segundos para viajar até aqui, do Sol até a Terra são 8 minutos e de Alfa Centauri até aqui são mais de 4 anos. Portanto, a velocidade é de aproximadamente 300 mil quilômetros a cada segundo. Mas por que esse número?

Na realidade, quando falamos que a velocidade da luz é de 300 mil quilômetros por segundo, é só uma forma de arredondar o número exato de 299.792,458 quilômetros por segundo. Essa é a verdadeira velocidade de propagação de qualquer onda eletromagnética no universo, não só aquelas que vemos na forma da luz. O espectro eletromagnético em si é muito abrangente e é formado por ondas de rádio, raios x, ultravioleta, infravermelho e muito mais. A natureza de todas as ondas são iguais, o que muda é seu comprimento real e é ele vai ditar se vamos conseguir vê-las ou não.

A primeira vez que alguém tentou determinar a velocidade pela qual as ondas se propagam no universo foi em 1667, quando o astrônomo Galileu Galilei teve a ideia de posicionar duas pessoas em diferentes montanhas com tochas acesas, mas encobertas, a menos de um quilômetros de distância uma da outra. A ideia era que, considerando o tempo de reflexo de uma pessoa, ele achou que poderia calcular a velocidade em que a outra pessoa veria a luz da tocha que ela aparecesse. Mas a primeira medição real mesmo só veio a acontecer alguns anos depois, na década de 1670, quando o astrônomo dinamarquês Ole Römer usou eclipses das luas de Júpiter para determinar a velocidade 200 mil km/s, ainda errada, mas ele percebeu que o eclipses aconteciam antes do que os cálculos previam, ou seja, já entendiam que a culpa era do atraso da luz chegar até a Terra. Depois disso, vieram outras figuras que determinavam cada vez com mais precisão a velocidade da luz, até que hoje podemos fazer isso facilmente através dos espelhos deixados na Lua, com o tempo de respostas de sondas espalhados pelo sistema solar e muito mais.

Créditos: NASA/ESA/M. Kornmesser

Pois bem, quando Albert Einstein formulou a Teoria da Relatividade Especial, ele disse que “nada no universo pode ultrapassar a velocidade da luz”. Dessa forma, ela se torna uma constante universal e viaja a 300 mil km/s independe de qual velocidade você esteja naquele momento. É verdade, a velocidade das ondas eletromagnéticas pode ser diminuída baseado na viscosidade de determinado material em que elas estejam passando. Por exemplo, quando a luz atravessa o vidro, a velocidade cai para 200 mil km/s, e, no diamante ela cai para menos da metade e chega a 130 mil km/s. O que Einstein quis dizer quando fala que a velocidade da luz é uma constante e não muda, ele se refere a um feixe de luz emitido no vácuo do espaço por uma fonte que se move ou parada. Em ambos os casos, a velocidade sempre será de 300 mil km/s.

Pode ser um pouco confuso, mas pensa junto comigo. Imagine alguém numa bicicleta hipotética que está se deslocando a 10% da velocidade luz, ou, 30 mil km/s. Se você acendesse uma lanterna nesta bicicleta, o que aconteceria? A velocidade da luz que sai da lanterna seria somada com a velocidade da bicicleta e chegaria a 330 mil km/s? A resposta é não, não somaria porque a velocidade da luz é uma constante universal e não muda neste sentido. Este é simplesmente o limite das leis da física em nosso universo!

Para explicar a velocidade da luz, existem duas teorias que se conectam: a relatividade especial, de Einstein e a teoria eletromagnética, do físico James Maxwell. Para ficar mais fácil, imagine que quando todas as partículas eletricamente carregadas no universo se movem, elas acabam gerando um campo eletromagnético, podendo gerar então uma onda que se auto propaga. Esse processo é influenciado diretamente por duas constantes universais conhecidas como “permeabilidade magnética” e “permissividade do vácuo”. Da mesma forma que a velocidade da luz, essas duas características do universo não mudam independente de onde você estiver dentro do universo e elas possuem um número exato que pode ser usado dentro das equações. A permeabilidade magnética do nosso universo é a capacidade das partículas carregadas criarem campos magnéticos e elétricos, dois pontos necessários para que a luz seja formada. A permissividade do vácuo pode ser explicada como uma espécie de viscosidade que o espaço possui contra a formação de campos elétricos. Dessa forma, o que Maxwell descobriu foi que os valores que representam tais constantes são inversamente proporcionais à velocidade da luz e, aplicando as fórmulas, chegamos à velocidade imensa que conhecemos.

Em outras palavras, imagine um líquido bem viscoso e como seria difícil se deslocar através dele, agora leve isso ao universo e como ele também tem sua viscosidade e permissividade agindo nas cargas elétricas de todas as partículas. Ainda existe a permeabilidade, que agiria como uma resistência à formação de campos eletromagnéticos. Então, já que o nosso universo possui esses limites físicos, a velocidade da luz não poderia ultrapassá-los. É a natureza do universo e ponto final, ninguém sabe exatamente porque existem tais limites, mas eles estão ali.

Depois, Albert Einstein usou todo esse pensamento brilhante de Maxwell para criar a relatividade especial, que mudaria nosso entendimento da natureza para sempre. Einstein simplesmente fez uma exercício mental e chegou a conclusão que, se a velocidade da luz é algo inerente do cosmos, por que ela mudaria de acordo com o referencial? Aí entra toda aquela questão que falamos logo mais, que a velocidade da luz não muda em nenhuma circunstância de velocidade e referencial. Ela sempre estará a 300 mil quilômetros por segundo!


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