LUZ: breve história e métodos de medição da velocidade da luz
Desde os primórdios do desenvolvimento científico, a luz tem sido um tema de profundo fascínio, tanto em relação à sua natureza quanto às suas características e velocidade. Na Grécia Antiga já era motivo de discussão, de modo que diversos filósofos desenvolveram suas ideias acerca de sua velocidade: se infinita ou finita e a questão de sua natureza: ondulatória? Segundo Aristóteles (384-322) para haver a propagação da luz, deveria haver um meio específico para esse fenômeno e também a velocidade da luz seria imensa ou até infinita. Hoje sabemos que a velocidade da luz, embora seja muito alta, não é infinita. Representada pela letra c na física, é uma constante fundamental a qual possui um papel fundamental em nossa compreensão do Universo. Mas como foi feita a determinação da sua velocidade? Esse é o tópico a ser discutido em seguida.
Breve história da determinação da velocidade da luz
Diversos pensadores discutiram sobre diferentes métodos para determinar a velocidade da luz. Entretanto, foi somente no século XVI que Galileo Galilei se mostrou contrário à proposição da velocidade da luz ser infinita como acreditava Aristóteles. O próprio Galileo tentou sua mensuração colocando-se no alto de um morro com seu inseparável “relógio” (o pulso cardíaco), enquanto um seu amigo, num outro morro levava uma lanterna coberta. Quando este levantava a coberta, Galileo acreditava poder mensurar o tempo de propagação. Obviamente, deu errado!.
Somente no ano de 1675, com o trabalho do astrônomo Olaf Römer, que a velocidade da luz pôde ser medida com mais precisão. Olaf Römer (1644-1710) foi um astrônomo, nascido em Arhus, Dinamarca, sendo ele a primeira pessoa a, de fato, conseguir medir a velocidade da luz obtendo um valor de aproximadamente 200.000 km/s. Ele alcançou esse resultado ao notar o movimento dos astros, especialmente do planeta Júpiter e de suas luas galileanas. Römer percebeu que poderia medir a velocidade da luz através do movimento dos satélites ao redor do planeta gigante do sistema solar. Ele fez observações de Io, uma das luas de Júpiter, e conforme acontecia os eclipses dessa lua ele media os intervalos de tempo entre eles. Havia uma diferença temporal entre as medidas. Como já se conhecia a distância Terra-Júpiter (por semidiâmetros terrestres), não foi difícil estimar a velocidade da luz. O infinito aristotélico caía agora para incríveis 200.000 km/s!
Somente 170 anos depois da medição de Römer que se tem registro de um experimento físico para determinar a velocidade da luz. Hyppolyte Louis Fizeau (1819-1896) foi um físico francês que em 1849 desenvolveu seu experimento, conhecido como “a roda dentada de Fizeau". O experimento baseia-se em focar a luz de uma única fonte sobre os dentes de uma roda dentada, de modo que essa roda execute um movimento de rotação com uma velocidade uniforme ao redor de um eixo na mesma direção da propagação da luz. Dessa forma,, o raio de luz era então refletido por um espelho que estava perpendicular ao seu eixo, retornando para alcançar a roda dentada a uma distância de 8.633 metros.
Algum tempo depois, o físico Jean Bernard Léon Foucault (1819-1869), desenvolveu seu experimento para fazer a determinação da velocidade da luz, que consistia basicamente de invés de usar a roda dentada, como Fizeau, ele utilizou um espelho que rotaciona. Para sua experiência, ele empregou um arranjo composto por um espelho rotativo, um espelho fixo e um microscópio. Inicialmente, o feixe é direcionado para um ponto em S, depois é refletido de MR (rotational mirror - espelho rotacional) para MF (fixed mirror - espelho fixo) e de volta para MR. O feixe então retorna através do divisor de feixe e é novamente focalizado no ponto S', onde pode ser observado pelo microscópio. Esse feixe de luz é refletido de maneira específica em MF. Assim, ao medir o deslocamento do ponto de imagem, com o uso do microscópio, causado pela rotação do espelho rotacional, pode-se obter a velocidade da luz. Na figura 3, podemos observar que o L1 e L2 são representados por duas lentes, o beamsplitter sendo o divisor de feixe e o measuring microscope sendo um microscópio de medição.
Aplicações Práticas da Precisão na Medição da Velocidade da Luz
Aplicações na Astronomia:
Na Astronomia, uma das unidades de medida mais conhecidas utilizadas é o ano-luz, que é a distância que a luz percorre num ano-solar. Esta unidade, de acordo com a União Astronômica Internacional (IAU), corresponde à distância que a luz viaja no vácuo no período de um ano do nosso calendário solar, sendo aproximadamente 9,46×1012 km. As distâncias em anos-luz normalmente são utilizadas para estrelas que estão localizadas nos braços espiralados das galáxias. Já as distâncias intergalácticas estão na ordem dos milhões de anos-luz e, agora, se sabe pelas observações do James Webb Telescope, até dos bilhões de anos-luz.
Aplicações em comunicações ópticas:
Utilizando a fibra óptica como exemplo, a medição da velocidade foi útil para apresentar uma melhor forma de optimizar a transferência de luz nos cabos de fibra óptica. Dessa forma, os cabos contêm um interior de um núcleo composto de vidro (onde a luz se propaga), uma interface feita de um material óptico que circunda o núcleo (que reflete a luz de volta para ele) e uma capa protetora em volta dos outros dois. Portanto, a luz refletida pela interface com a reflexão interna total faz com que ela viaje distâncias elevadas, com uma velocidade alta, mesmo sendo menor que a velocidade da luz no vácuo devido à perda de energia (por conta do vidro não ser totalmente puro e pela absorção de luz por ele). O valor da velocidade da luz neste contexto, ou seja, dentro dos cabos ópticos, chega a uma ordem de 109 a 1010 bits por segundo (cerca de 40 Gbps), que são velocidades muito elevadas, ocasionando, pois, uma alta taxa de transmissão de dados.
Aplicações na Física fundamental:
A velocidade da luz é uma constante necessária na física relativista e na física óptica. Sua velocidade no vácuo, conhecida pela constante “c”, tem valor de 299.792.458 m/s (ou, aproximadamente, c = 3,0 x 10^8 m/s). Por ser uma constante muito estudada e utilizada, na matéria experimental de física moderna é possível testar o método de Foucault para a determinação da velocidade da luz (como já citado anteriormente), fazendo com que, a partir da relação entre o deslocamento do feixe de luz refletido e a variação da velocidade angular do espelho rotativo, seja possível determinar a constante da velocidade da luz com um desvio do valor médio inferior a 10%.
Conclusão
A luz: sua natureza e suas características essenciais sempre foi intrigante para todos e a determinação de sua velocidade não foge dessa curiosidade. Desde Galileo até Foucault, o estudo de métodos que pudessem mensurar a velocidade da luz persistiu por séculos, até chegar na determinação de seu valor de c=299.792.458 m/s, constituindo-se, depois dos trabalhos de Einstein, em 1905, numa das mais importantes constantes da Física.
Referências:
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NETHERCOTT, Q.T., & Walton, M.E. Obtaining the speed of light using the Foucault Method and the PASCO apparatus, 2013. Disponível em: http://www.physics.utah.edu/~ewalton/Light.pdf .Acesso em 27/05/2024.
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NATIONAL GEOGRAPHIC. O que é um ano-luz, 2022. Disponível em: https://www.nationalgeographicbrasil.com/espaco/2022/12/o-que-e-um-ano-luz. Acesso em: 06/06/2024.
CRUZ, C. L. et al. Luz: Fibra Óptica. AEDB, Faculdade de Engenharia de Rezende, 2012. Disponível em: https://www.aedb.br/wp-content/uploads/2015/05/119139.pdf. Acesso em: 06/06/2024.
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