Velocidade da luz: um guia para entender de uma vez por todas

A velocidade da luz foi determinada com precisão no final do século 19, mas houve muitas tentativas antes de Albert Michelson (e não Albert Einstein, ao contrário do que se possa imaginar) medir o valor atualmente aceito. Mas por que esse número importa? E por que dizem ser impossível superar a velocidade da luz?

• Essas partículas hipotéticas podem viajar mais rápido que a velocidade da luz
• É possível viajar no tempo voando mais rápido que a velocidade da luz?

Qual a velocidade da luz?

A velocidade da luz está bem estabelecida em 299.792.458 m/s, um valor tão preciso e imutável que foi usado para se determinar algumas unidades. Por exemplo, no Sistema Internacional de Unidades (SI), o metro é a distância que a luz percorre no vácuo em 1⁄299792458 segundo.

Se tivéssemos um avião à velocidade da luz, poderíamos contornar o equador aproximadamente 7,5 vezes por segundo. Mas em nosso mundo real (e meio sem graça), um avião a jato a uma velocidade de 804 km/h cruzaria os Estados Unidos uma vez a cada 4 horas.

Desde o sec. 5, filósofos gregos como Empédocles e Aristóteles debatiam sobre a natureza da luz e sua velocidade. O primeiro dizia que a luz deve viajar e, portanto, tinha que ter uma velocidade de deslocamento. Já Aristóteles escreveu que a luz, ao contrário do som e do cheiro, é instantânea. Levaria centenas de anos até que os cientistas resolvessem o impasse.

Diferença entre velocidade da luz e ano-luz

Seria muito triste a luz viajasse instantaneamente pelo universo, porque, se assim fosse, não poderíamos desvendar os mistérios do cosmos. É que quando os astrônomos olham uma galáxia distante, por exemplo, eles estão vendo uma luz que levou milhões, ou até bilhões de anos para chegar à Terra.

Albert Einstein determinou em sua teoria da Relatividade Restrita, de 1905, que a velocidade da luz no vácuo é constante e invariável. Isso significa que ela não pode mudar, não importa o que aconteça. Esse princípio é fundamental na astronomia, porque permite basear uma série de medições através do conceito de ano-luz.

Um ano-luz é a distância que a luz pode viajar em um ano — cerca de 10 trilhões de quilômetros. Parece muito para nossos padrões, claro, mas, para se ter uma ideia, a luz da estrela mais próxima do Sol leva 4,22 anos para chegar até nós. Isso significa que ela está a 4,22 anos-luz de distância da Terra.

A unidade de medida “ano-luz” é essencial para medir as distâncias de objetos realmente longe de nós, como quasares no início do universo — alguns estão a 13 bilhões de anos-luz de distância, e isso significa que eles têm, pelo menos, 13 bilhões de anos de idade, pois a luz observada leva 13 bilhões de anos para percorrer essa distância.

Por isso, ficamos felizes que Aristóteles estivesse errado ao dizer que a luz é instantânea. Se este fosse o caso, os astrônomos jamais poderiam ver como os objetos cósmicos eram no passado distante. Em outras palavras, não saberíamos nada sobre nosso universo.

Quem descobriu a velocidade da luz?

A história das tentativas de medir a velocidade da luz é antiga. Na década de 1600, Galileu Galilei colocou duas pessoas em colinas a menos de um quilômetro de distância, cada um com uma lanterna. A ideia era que quando a primeira acendesse, a outra pessoa imediatamente respondesse com a luz de sua lanterna.

Hoje sabemos que o experimentou não deu muito certo, pois Galilei concluiu que a luz viajava cerca de 10 vezes mais rápido que o som. O problema é que a distância entre as duas pessoas não era grande o suficiente para haver um real “atraso” entre os flashs das duas lanternas.

Em 1728, o físico inglês James Bradley usou um novo conjunto de cálculos da mudança na posição aparente das estrelas, causada pelas voltas da Terra ao redor do Sol. Ele estimou a velocidade da luz em 301.000 km/s, um resultado impressionante para a época.

Mas foi em 1879 que o cientista polonês Albert A. Michelson, adaptando um método utilizando em 1800 pelo físico francês Leon Foucault, conseguiu uma medição impressionante: 299.910 km/s, valor aceito como a medição mais precisa da velocidade da luz por 40 anos. Esse recorde de precisão foi superado por ele próprio, em suas duas tentativas posteriores.

Velocidade das ondas eletromagnéticas

A história acima não pode ser considerada completa sem mencionarmos um físico chamado James Clerk Maxwell, porque sem ele Albert Einstein não teria feito suas descobertas. Maxwell foi quem descobriu, em meados de 1800, uma única imagem unificada que poderia explicar todas as observações díspares dos campos elétrico e magnético.

Em suas equações, ele descobriu que a mudança de campos elétricos pode criar campos magnéticos e vice-versa. Isso permite que ondas de eletricidade criem ondas de magnetismo, que continuam a fazer ondas de eletricidade, saltando umas sobre as outras, capazes de viajar pelo espaço. Isso é o que hoje conhecemos como força eletromagnética.

E por que isso é importante para a história da velocidade da luz? Bem, a força eletromagnética é justamente mediada pelo fóton, a partícula fundamental que “transporta” a luz. Quando falamos em velocidade da luz, estamos falando também da velocidade de um fóton, e, ao mesmo tempo, das ondas descobertas por Maxwell.

Quando Maxwell foi calcular a velocidade das suas ondas eletromagnéticas, ele obteve o mesmo número que os cientistas vinham medindo até então quando tentavam descobrir a velocidade da luz. Pois bem, saltemos um pouco no tempo, até 1905. Entra em cena Albert Einstein.

E=mc²

Einstein surgiu apenas algumas décadas depois de Maxwell, e percebeu que a velocidade da luz não tinha exatamente a ver com a luz em si. Ou melhor, o modo mais lógico de medir essa velocidade era por correlações entre luz, energia e matéria.

O físico alemão percebeu haver uma conexão entre tempo e espaço, um tecido unificado conhecido hoje como espaço-tempo. Pode ser difícil pensar nesses termos. Afinal, o tempo passa para nós mesmo se estivermos parados no espaço.

A “chave” que destrancou esse baú de mistérios foi a conexão que unifica o movimento no espaço e o movimento no tempo. Em outras palavras, o valor de um metro de espaço no tempo, por exemplo. Einstein descobriu uma única constante, uma certa velocidade, que poderia nos dizer quanto espaço era equivalente a quanto tempo e vice-versa.

Usando a Relatividade Especial e as equações de Maxwell, Einstein descobriu que essa taxa de conversão é exatamente a velocidade da luz. Essa é a constante fundamental que unifica o espaço e o tempo. Maxwell já havia calculado esse número, mesmo sem saber. Mas por que a velocidade da luz está tão ligada ao espaço-tempo?

Acontece que todas as partículas sem massa podem de viajar nessa velocidade e, como a luz (fóton) não tem massa, ela pode viajar nessa velocidade. A famosa equação E=mc² descreve a relação entre massa e energia — quantidades de massa (m) contêm uma quantidade inerente enorme de energia (E).

Essa fórmula está nos dizendo que a velocidade da luz é uma constante que revela quanta energia deve haver dentro de uma determinada matéria. O número em si não importa, porque ele depende de unidades de tempo e distância. Trocando as unidades, o número c muda. Mas a velocidade da luz em si é aquilo que o universo decidiu e o papel da ciência é apenas demonstrar e tentar explicar isso.

A velocidade da luz em todos os lugares é a mesma

Um dos postulados das teorias da Relatividade é que a velocidade da luz é a mesma em todos os referenciais inerciais. Isso pode ser dividido em duas partes:

• A velocidade da luz é independente do movimento do observador
• A velocidade da luz não varia com o tempo ou lugar

Essas afirmações podem causar certo “desconforto” racional, porque não parecem fazer sentido. Mas em 1905 Einstein mostrou ser uma alegação perfeitamente consistente se você estiver preparado para abrir mão da intuição moldada pelas coisas que podemos ver e tocar.

As frases acima significam que a velocidade da luz não depende da velocidade da fonte emissora da luz, nem do movimento do observador. Se você estiver em uma nave que se move perto da velocidade da luz e acender uma lanterna, a luz da lanterna em relação a você ainda terá a velocidade de 299.792.458 m/s, mesmo que sua nave esteja a, digamos, 200.000.000 m/s.

É possível viajar mais rápido que a luz?

A resposta curta é “não”, apenas objetos (ou partículas) sem massa, como é o caso dos fótons, podem atingir essa velocidade. Isso porque um objeto perto da velocidade da luz ganha massa que tende ao infinito e, com isso, precisará de energia infinita para continuar se deslocando.

Para compreender essa lógica, basta lembrar que a massa e a energia de um objeto estão interligadas. Você pode conferir essas relações para calcular suas chances de voar à velocidade da luz na Calculadora Relativística de Energia Cinética. Abaixo, alguns exemplos (as unidades de energia estão em megajoules):

• Um objeto de 1 kg à velocidade de 299.792.457 (apenas 1 m/s a menos) precisaria de energia cinética de 1.100.275.103.679.943 MJ
• Um objeto de 1 mg à velocidade de 299.792.457 (apenas 1 m/s a menos) precisaria de energia cinética de 1.100.275.104 MJ
• Um objeto de 1 µg à velocidade de 299.792.457 (apenas 1 m/s a menos) precisaria de energia cinética de 1.100.275 MJ

O que esses números significam? Bem, vamos calcular, através da fórmula E=mc², quanta energia (em megajoules) existe em cada um desses objetos exemplificados:

• Um objeto de 1 kg: 89.875.517.874 MJ
• Um objeto de 1 mg: 89.875,5 MJ
• Um objeto de 1 µg: 89.8755 MJ

Bem, desnecessário dizer que, para viajar à velocidade da luz, é preciso muito mais energia do que esses objetos possuem em equivalência às suas respectivas massas. Claro, uma espaçonave não usaria a própria energia de sua massa para viajar, mas sim a de seu combustível. Por isso mesmo a conta nunca fecha. Sua nave teria muita massa para pouca energia disponível para o deslocamento.

Apenas os fótons são leves (porque não têm massa) e energéticos o suficiente para viajar à velocidade da luz. E talvez você esteja agora se perguntando “de onde vem, então, a energia do fóton”? Bem, se a partícula não possui massa, não há energia inerente. Isso significa que sua energia — e, portanto, velocidade — só pode vir de uma maneira: por um “empurrão”.

De onde vem a velocidade da luz?

Primeiro, temos que definir: sim, a luz carrega energia, mesmo sem ter nenhuma massa. A equação de Einstein E = mc² não se aplica nesse caso, porque ela é um caso especial de outra equação, esta sim mais geral: E² = p² c² + m² c².

Você não precisa entender como ela funciona, mas sim o que ela nos diz. Ela significa que a energia (E) total da partícula é o seu momento (p) ("momento" é a propriedade direcional de um objeto em movimento que descreve sua capacidade de influenciar outro objeto com impacto). Assim, a energia total de uma partícula é uma combinação de sua energia obtida pela sua massa com a sua energia obtida pelo momento.

Quando uma partícula está em repouso, significa que não há momento (ou seja, p=0). Por isso, a equação geral se reduz ao famoso E=mc². Por outro lado, para uma partícula sem massa (M=0), a equação geral se reduz a E=pc. Isso significa que toda a energia dessa partícula vem de seu momento.

Isso tem consequências incríveis, se você acompanhar. Se uma partícula não tem massa (m=0) e está em repouso (p=0), então a energia total é zero (E=0). Mas um objeto com energia zero e massa zero não é nada! Portanto, se um objeto sem massa quiser existir fisicamente no universo, ele nunca pode estar em repouso. Em outras palavras, ele precisa de momento para obter alguma energia.

E de onde vem o momento de um fóton? De seu próprio “nascimento”. Todo fóton é formado ou refletido através da energia de um elétron, ou de um fóton anteriormente absorvido. Quando o novo fóton é formado, ele já “nasce” sendo “impulsionado” (termo impreciso, mas útil para compreender a ideia de maneira simples) à velocidade da luz, justamente porque não tem massa.

Em outras palavras, partículas de luz precisam nascer já com momento adquirido pelos mecanismos que as geram. Por não possuírem energia, elas não podem ter movimento por si só, como têm outras partículas — elétrons, prótons, nêutrons, quarks, todos estão se movendo, o tempo todo.

Isso também pode ser explicado através da função de onda da luz. Imagine um lago de água parada no qual atiramos uma pedra. Uma energia atingiu a água, e ondas concêntricas se formaram e se espalharam pelo lago. Porém, essas ondas não estão transportando massa alguma, embora tenham energia adquirida do movimento.

Uma onda de água não é um “pacote” de água viajando. Na verdade, a água está mais ou menos parada, mas a onda funciona como um efeito dominó de movimento, movimento este que transporta certa energia. Essa energia pode atingir um objeto no meio do caminho e interagir com ele, assim como a luz faz com a matéria.

A velocidade da luz pode diminuir?

Tudo o que falamos sobre a velocidade da luz até agora é sobre a luz viajando no vácuo. Quando ela atravessa outro meio — água ou vidro, por exemplo — sua velocidade é um pouquinho inferior. O quanto um material desacelera a luz é chamado “índice de refração”.

Isso ocorre porque a luz se curva ao entrar em contato com as partículas, o que resulta em uma diminuição na velocidade. A luz que viaja pela atmosfera da Terra, por exemplo, está apenas três décimos de milésimos abaixo da velocidade da luz no vácuo. Já a luz que passa através de um diamante diminui para menos da metade de sua velocidade normal.

Aliás, isso pode ter um efeito fascinante. Quando as partículas são aceleradas para ultrapassar a velocidade da luz em um meio, como a água, surge um tipo especial de radiação de cor azul, chamada radiação Tcherenkov.

Fonte: Space.com (2), Starts With a Bang, ToughtCo, LiveScience, Science Questions With Surprising Answers