A velocidade da luz é a velocidade das ondas eletromagnéticas. A luz viaja a velocidades menores dentro de materiais como vidro ou água; sua velocidade máxima é no vácuo. A velocidade da luz no vácuo é uma constante física universal denotada por (nos padrões ISO e IEC ), exatamente igual a . É exata porque, por acordo internacional, um metro é definido como o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de de segundo. O valor . Para outras aproximações de , válidas para várias unidades e escalas de tamanho, veja a infobox. A forma abreviada, velocidade da luz, significa velocidade da luz no vácuo em qualquer contexto onde o vácuo esteja implícito.
Todas as formas de radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, viajam no vácuo à velocidade c, assim como partículas sem massa e perturbações de campo, como as ondas gravitacionais. A velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores, independentemente de sua velocidade relativa. Como resultado, partículas sem massa e ondas viajam a no vácuo, independentemente do movimento da fonte ou do referencial inercial do observador. A velocidade da luz no vácuo é o limite superior para a velocidade com que informação, matéria ou energia podem viajar através do espaço. Extract of page 497. Extract of page 79. Partículas com massa de repouso diferente de zero podem ser aceleradas para se aproximarem de , mas nunca podem alcançá-la, independentemente do referencial no qual sua velocidade é medida.
Para longas distâncias e medições sensíveis, a velocidade finita da luz tem efeitos perceptíveis. Grande parte da luz estelar vista na Terra vem do passado distante, permitindo que os humanos estudem a história do universo observando objetos distantes. Ao se comunicar com sondas espaciais distantes, pode levar horas para que os sinais viajem. Na computação, a velocidade da luz determina o atraso mínimo absoluto de comunicação. A velocidade da luz no vácuo pode ser usada em medições de tempo de voo para medir grandes distâncias com altíssima precisão.
A velocidade com que a luz se propaga através de materiais transparentes, como vidro ou ar, é menor que ; da mesma forma, a velocidade das ondas eletromagnéticas em cabos de fio (a velocidade da eletricidade) é mais lenta que . A razão entre e a velocidade com que a luz viaja em um material é chamada de índice de refração do material (). Por exemplo, para a luz visível, o índice de refração do vidro é tipicamente em torno de 1,5, o que significa que a luz no vidro viaja a ; o índice de refração do ar para luz visível é de cerca de 1,0003, então a velocidade da luz no ar é cerca de mais lenta que .
No contexto da relatividade, a velocidade luminal pode ser usada. Em alguns casos, objetos ou ondas podem parecer viajar mais rápido que a luz, também chamado de velocidade superluminal. Cálculos simplistas da velocidade de galáxias distantes devido à expansão do universo parecem exceder a velocidade da luz, mas apenas a velocidade local pode ser definida de forma única. Ole Rømer primeiro demonstrou que a luz não viaja instantaneamente ao estudar o movimento aparente da lua Io de Júpiter. Em um artigo, Uma Teoria Dinâmica do Campo Eletromagnético, de 1865, James Clerk Maxwell propôs que a luz era uma onda eletromagnética e, portanto, viajava à velocidade . Albert Einstein postulou que a velocidade da luz em relação a qualquer referencial inercial é constante e independente do movimento da fonte de luz. Ele explorou as consequências desse postulado ao derivar a teoria da relatividade e, assim, mostrou que o parâmetro tinha relevância fora do contexto da luz e do eletromagnetismo. Na teoria da relatividade, inter-relaciona espaço e tempo e aparece na famosa equivalência massa-energia, .Ver, por exemplo:
Notação A velocidade da luz no vácuo é geralmente denotada por um minúsculo. A origem da escolha da letra é incerta, com suposições incluindo "c" para "constante" ou o latim (significando 'rapidez, celeridade'). O "c" foi usado para "celeridade" significando uma velocidade em livros de Leonhard Euler e outros, mas essa velocidade não era especificamente para a luz; Isaac Asimov escreveu um artigo de ciência popular, "C for Celeritas", mas não explicou a origem. Em 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usaram para uma constante diferente que mais tarde se mostrou igual a vezes a velocidade da luz no vácuo. Historicamente, o símbolo foi usado como um símbolo alternativo para a velocidade da luz, introduzido por James Clerk Maxwell em 1865. Em 1903, Max Abraham usou com seu significado moderno em um livro-texto amplamente lido sobre eletromagnetismo. Einstein usou em seus artigos originais em alemão sobre relatividade especial em 1905, mas em 1907 ele mudou para , que já se tornara o símbolo padrão para a velocidade da luz. "As origens da letra c ser usada para a velocidade da luz podem ser rastreadas até um artigo de 1856 de Weber e Kohlrausch [...] Weber aparentemente queria que c significasse 'constante' em sua lei de força, mas há evidências de que físicos como Lorentz e Einstein estavam acostumados a uma convenção comum de que c poderia ser usado como uma variável para velocidade. Esse uso pode ser rastreado até os textos latinos clássicos nos quais c significava 'celeritas', que significa 'velocidade'."
Às vezes, é usado para a velocidade das ondas em qualquer meio material, e 0 para a velocidade da luz no vácuo.Ver, por exemplo:
Em sistemas de unidades A constante é definida no Sistema Internacional de Unidades (SI) como . Esse valor fixo é usado para definir o metro como exatamente a distância que a luz percorre no vácuo em de segundo. O segundo, por sua vez, é definido como a duração de da radiação emitida por um átomo de césio-133 em uma transição entre dois estados de energia especificados. Ao usar o valor fixo de e uma medição precisa do segundo, o valor para o metro padrão é definido.Ver, por exemplo:
Antes de 1983, o metro era definido separadamente do segundo e a velocidade da luz era medida experimentalmente. O valor particular adotado para a velocidade fixa da luz no sistema de unidades atual foi escolhido para concordar com as melhores medições disponíveis antes de 1983. A definição atual do segundo foi adotada em 1967.
Como uma constante física dimensional, o valor numérico de é diferente para diferentes sistemas de unidades. Por exemplo, em unidades imperiais, a velocidade da luz é de aproximadamente milhas por segundo. Este valor é menos de 2% diferente de 1 bilhão de pés por segundo ou um pé por nanossegundo. O oficial da Marinha e cientista da computação Grace Murray Hopper distribuiu fios de um pé de comprimento para colegas no final dos anos 1960 para ilustrar visualmente a importância de projetar componentes menores para aumentar a velocidade da computação.
Em ramos da física em que aparece com frequência, como na relatividade, é comum usar sistemas de unidades naturais de medida ou o sistema de unidades geometrizadas onde . Usando essas unidades, não aparece explicitamente porque multiplicar ou dividir por1 não afeta o resultado. Sua unidade de segundo-luz por segundo ainda é relevante, mesmo se omitida.
Papel fundamental na física
A velocidade com que as ondas luminosas se propagam no vácuo é independente tanto do movimento da fonte da onda quanto do referencial inercial do observador. Essa invariância da velocidade da luz foi postulada por Einstein em 1905, após ser motivado pela teoria do eletromagnetismo de Maxwell e pela falta de evidências de movimento contra o éter luminífero. Tradução em inglês: Experimentos como o experimento de Kennedy-Thorndike e o experimento de Ives-Stilwell mostraram que este postulado corresponde às observações experimentais.
A teoria da relatividade restrita explora as consequências dessa invariância de com a suposição de que as leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais. Uma consequência é que é a velocidade com que todas as partículas e ondas sem massa, incluindo a luz, devem viajar no vácuo. alt= começa em 1 quando é igual a zero e permanece quase constante para pequenos , então curva-se acentuadamente para cima e tem uma assíntota vertical, divergindo para o infinito positivo à medida que se aproxima de . |miniaturadaimagem|O fator de Lorentz em função da velocidade. Ele começa em1 e se aproxima do infinito à medida que se aproxima de . A relatividade especial tem muitas implicações contra-intuitivas e verificadas experimentalmente. Estas incluem a equivalência de massa e energia (), contração do comprimento (objetos em movimento encurtam), rotação de Terrell (rotação aparente), e dilatação do tempo (relógios em movimento funcionam mais lentamente). O fator pelo qual os comprimentos contraem e os tempos dilatam é conhecido como fator de Lorentz e é dado por , onde é a velocidade do objeto. A diferença de de1 é desprezível para velocidades muito menores que , como a maioria das velocidades do dia a diacaso em que a relatividade especial é bem aproximada pela relatividade galileanamas aumenta em velocidades relativísticas e diverge para o infinito à medida que se aproxima de . Por exemplo, um fator de dilatação do tempo de ocorre a uma velocidade relativa de 86,6% da velocidade da luz (). Da mesma forma, um fator de dilatação do tempo de ocorre a 99,5% da velocidade da luz ().
Os resultados da relatividade especial podem ser resumidos tratando o espaço e o tempo como uma estrutura unificada conhecida como espaço-tempo (com relacionando as unidades de espaço e tempo) e exigindo que as teorias físicas satisfaçam uma simetria especial chamada invariância de Lorentz, cuja formulação matemática contém o parâmetro . A invariância de Lorentz é uma suposição quase universal para teorias físicas modernas, como eletrodinâmica quântica, cromodinâmica quântica, o Modelo Padrão da física de partículas e a relatividade geral. Como tal, o parâmetro é onipresente na física moderna, aparecendo em muitos contextos não relacionados à luz. Por exemplo, a relatividade geral prevê que também é a velocidade da gravidade e das ondas gravitacionais, e observações de ondas gravitacionais têm sido consistentes com essa previsão.Ver, por exemplo:
Em referenciais não inerciais (espaço-tempo gravitacionalmente curvo ou referenciais acelerados), a velocidade da luz é constante e igual a , mas a velocidade da luz pode diferir de quando medida de um referencial remoto, dependendo de como as medições são extrapoladas para a região.
Geralmente assume-se que constantes fundamentais como têm o mesmo valor em todo o espaço-tempo, ou seja, não dependem da localização e não variam com o tempo. No entanto, foi sugerido em várias teorias que a velocidade da luz pode ter mudado ao longo do tempo. Nenhuma evidência conclusiva para tais mudanças foi encontrada, mas elas permanecem objeto de pesquisa em curso.
Geralmente assume-se que a velocidade bidirecional da luz é isotrópica, ou seja, tem o mesmo valor independentemente da direção em que é medida. Observações das emissões de níveis de energia nucleares em função da orientação dos núcleos emissores em um campo magnético (ver experimento de Hughes-Drever) e de ressonadores ópticos rotativos (ver Experimentos com ressonadores) impuseram limites rigorosos à possível anisotropia bidirecional.
Limite superior de velocidades