Na Velocidade da Luz

VELOCIDADE BURLESCA

A luz é o objeto mais rápido do Universo. Na verdade sua velocidade é o limite universal para tudo. Nada pode ultrapassar sua velocidade que é exatamente 299.792.458 m/s, ou seja, 1.079.252.848 Km/h, mais de um bilhão de quilômetros por hora! Esse número tem como variável c de celeritas, que significa velocidade ou rapidez em latim. Mesmo assim, sua velocidade não é infinita. À essa velocidade, a luz refletida na lua demora 1,3 segundos para chegar até nós a cerca de 400.000 quilômetros dela. A luz do Sol demora mais de 8 minutos para chegar aqui na Terra que está a uma distância de 150 milhões de quilômetros dele. Se o Sol acabasse agora só saberíamos daqui a 8 minutos!

Por causa desse limite de velocidade, muitas estrelas que vemos no ceu já até morreram. Como pode ser? Posso ver algo ali que não existe mais? Sim. Vou explicar isso mas primeiro você precisa entender o conceito de ano-luz:

O Universo é bem grande. Muito grande. Por causa de seu tamanho não se pode usar nossas escalas de medidas senão daria muito trabalho. Imagine só: Proxima Centauri é a estrela mais próxima do Sol. Ela está a 39,9 trilhões de quilômetros do Sol. Parece muito não é mesmo? Na verdade, no espaço não é, mas isso não vem ao caso agora. A questão é que é muito difícil escrever tudo isso. Para você escrever esse número seria assim: 39.900.000.000.000 Km. Então para acabar com esse problema inventaram uma medida chamada ano-luz. Um ano-luz corresponde ao espaço que a luz percorre em exatamente um ano. Ou seja, se estamos a 1 ano-luz de algo, sua luz demora 1 ano para chegar até nós.

Concepção Artística 
de uma Gigante Azul

Agora vamos voltar à explicação anterior. Digamos que uma estrela do tipo Gigante Azul, um dos maiores tipos de estrelas, dure cerca de um milhão anos. Para uma estrela isso é bem pouco, mas quanto maior a estrela mais rápido ela queima seu combustível e morre mais rápido. Se essa estrela está cerca de 2 milhões de anos-luz de nós, sua luz demora 2 milhões de anos para chegar até nós. Se ela nasceu exatamente há 2 milhões de anos atrás, só veríamos seu nascimento agora. Mas se sua vida é de 1 milhão de anos e ela nasceu há 2 milhões de anos atrás ela já morreu! E estamos vendo seu nascimento agora! Ainda poderíamos vê-la por mais 1 milhão de anos, mas ela já estaria morta, não existiria mais.


A LUZ NÃO PODE IR MAIS RÁPIDO DO QUE c...
Mas como a luz não pode exceder essa velocidade? É meio que inconcebível você pensar nisso. Faça um teste mental agora: Imagine que você tem uma bola de beisebol. Se você a lança para frente numa velocidade de 10 m/s ela vai para frente somente a 10 m/s (Sou o rei do óbvio!!!). Mas se você subir numa bicicleta e andar nela a 10 m/s e lançar a bola a 10 m/s para frente, a velocidade da bola vai somar à velocidade da bicicleta por causa da lei do movimento (1ª Lei de Newton) totalizando 20 m/s. Então se você pegar uma lanterna e acendê-la, desconsiderando o ar, a luz viajaria a velocidade de 299.792.458 m/s para frente. Então pela lógica, se você subir na bicicleta a andar com ela a 10 m/s para frente e acender a lanterna, a ideia é que a velocidade da luz some 10 m/s ficando 299.792.468 m/s, mas NÃO, Einstein queria complicar só mais um pouquinho nossa vida dizendo que isso seria impossível (o pior é que ele estava certo). A velocidade da luz ficaria nos imutáveis 299.792.458 m/s.
O problema agora é o seguinte: Para a luz ficar com essa velocidade máxima algo teria que modificar, mas não a luz. Sobrou para o tempo. O tempo se distorce para atender a necessidade da luz de ter essa velocidade máxima. Ele desacelera. 

Então voltando ao exemplo da bicicleta, quando você está a 10m/s e liga a lanterna, o tempo naquele local desacelera o suficiente para que a luz fique viajando a sua velocidade c. Isso também é uma boa forma de você desacelerar o tempo. Pena que quando você está andando de bicicleta, carro ou avião essa desaceleração temporal é insignificante e portanto não a percebemos. Isso só teria algum efeito visível, mesmo que mínimo, uma diferença de alguns milésimos de segundo em alguns anos se você estivesse em um concorde ou uma diferença de milésimos de segundos em alguns meses se você estivesse em um ônibus espacial. Só seria bem legal se você viajasse numa nave à 90% da velocidade da luz por 5 anos. Você veria passar somente uma semana na nave e aqui na Terra já teria passado 1500 anos. Não pense que você ficou congelado por 1500 anos ou que ficou absurdamente lento. Não foi nada disso. Você vivenciou  uma semana e nós aqui na Terra vivenciamos 1500 anos (Quero dizer que passou 1500 anos, nós não vamos viver nem 10% disso)


...MAS PODE IR BEM MAIS DEVAGAR
A luz, como já foi dito acima não pode acelerar mais do que c. Mas ela pode desacelerar normalmente (sem interferência temporal. Não imagine que você vai desacelerar a luz e o tempo vai passar mais rápido. Embora que isso seria bem lógico). A luz desacelera o tempo todo. Se não fosse isso não poderíamos enxergar. Quando a luz entra em contato com a matéria vai ficando mais devagar e muda de curso. Na água, por exemplo, a luz fica com uma velocidade de 70% do original.

Refração em um copo d'água

Por causa desse fenômeno que outro existe: a refração.
Quando a luz está no ar sua velocidade quase não muda, pois o ar é bem pouco denso, já a água é bem mais densa e deixa a luz mais devagar. Se dividirmos a velocidade total da luz c pela velocidade da luz no meio obtemos um valor n, tal que n>1 (se fosse menor a luz ficaria mais rápida e acho que já intensifiquei que isso é IMPOSSÍVEL). Esse valor n é chamado de índice de refração. No caso da água esse valor é 1,3321, já no ar é de 1,0003 e no vácuo, logicamente, é 1 pois a luz viaja na sua velocidade plena nesse meio. Esse efeito se deve ao fato de que quando a luz está no ar viaja a uma velocidade, mas quando entra no copo como na imagem acima ela desacelera e desvia para um lado. Quando sai do copo e volta para o ar sua velocidade aumenta como anteriormente e dá a impressão de que o lápis está quebrado.
O material com maior índice de refração é o diamante com n=2,42. No diamante a luz viaja à velocidade de 123.881.180m/s, menos da sua velocidade natural.
Em laboratório a luz já até parou. Se quanto mais denso o material em que a luz passar, menor será sua velocidade, passaram entao um feixe de luz por um conjunto de átomos de rubídio congelados à  aproximadamente -273°C ou quase o zero absoluto (menor temperatura possível no Universo). Tendo um material tão denso à sua frente, a luz chegou a parar dentro dele. Ela somente saiu quando o material foi descongelado.


ESTÁ FALTANDO MASSA

Sir Isaac Newton

Mas foi passado uma informação interessante: a luz quando sai do copo volta a velocidade de quando estava no ar? de onde veio a energia que a impulsionou para aumentar a velocidade? do nada. Na verdade ela nem existe. Não é preciso (nem possível) que alguma energia impulsione a luz. Isso pode ser explicado pela 2ª Lei de Newton: 

"Lei II: A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção da linha reta à qual aquela força é imprimida."

Espero que você entenda sozinho o que foi escrito acima, porque não vou explicar a teoria, só a parte prática.
A formula geral dessa lei é F=m.a, onde F é a força necessária para mover a massa m à aceleração a. Ou seja, se você tem m=20kg e a=2m/s², a força necessária, em Newtons (N) para movê-la seria de 40 N, pois 20*2=40. Então imagine agora a luz, que a=299.792.458m/s^{{ 2 }} (a luz não fica mais rápida do que isso então não tem aceleração) com uma massa m=... bem qual é a massa da luz? NADA! a luz não tem massa. Então m=0. Então multiplicando 299.792.458 vezes 0, F = ZERO N, ou seja, não é necessária força alguma para mover a luz àquela velocidade c. Por isso quando a luz sai do copo com água ela volta à velocidade superior sem necessidade de força alguma e se ela viajasse no vácuo depois disso ela ficaria em sua plena velocidade c.

A dualidade onda-partícula da Luz

INTRODUÇÃO

Antigamente, os gregos no século I a.C. já acreditavam que a luz era composta de partículas (não as minúsculas partículas da física como conhecemos, eles tinham acabado de descobrir o átomo, portanto ainda não tinham esse conhecimento). Eles estavam certos num ponto, era realmente uma partícula, mas acreditavam também que cada uma dessas partículas tinha a imagem integral do objeto que a emitia (é isso mesmo, eles achavam que os próprios objetos emitiam as partículas de luz! Se fosse assim daria para vermos no escuro normalmente). Mas é uma pena que a Física Quântica (que estuda corpos menores que um átomo) não é nem um pouco simples. A luz é uma partícula, mas também uma onda! Como um objeto pode ser onda e também uma partícula? São coisas tão diferentes! Nem tanto. Na verdade é quase a mesma coisa só que depende do seu ponto de vista. Explicarei isso melhor agora:

DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA

O fóton é partícula. É o nome que se dá à luz quando está se comportando como uma partícula.

Fig.1

Partícula seria um ponto de matéria, algo tangível, mesmo que seja absurdamente pequeno. Já foi explicado acima porque se achava que a luz era uma partícula. Aquela ideia foi evoluindo através dos séculos. Até o  final do século XVII quando Chistian Huygens propôs que a luz agia como ondas e não como uma corrente de partículas. Depois, em 1807, Thomas Young retomou essa ideia e fez um teste. Ele fez com que um feixe luz passasse por uma fenda que irradiou para outras duas fendas como mostra a Figura 1. Até aí tudo bem, o problema foi depois que a luz passou dessas duas fendas. ela formou um desenho como mostra a Figura 2.

Fig.2

A luz passou pelas duas fendas e formou um desenho de várias barras umas do lado das outras. Se a luz fosse partículas, não aconteceria nada como na Figura 1 nem na Figura 2. A luz passaria pela primeira fenda e criaria uma barra única bem em frente à fenda e nem chegaria a passar pelas outras duas fendas seguintes, pois a barra seria desenhada bem no meio delas. Mas mesmo assim, imaginemos que não existisse a primeira fenda, somente as fendas duplas. a luz passaria por elas e criaria apenas duas barras na tela seguinte. Mas como vocês podem ver nas duas figuras, esse não é o caso. a Luz se comportou como ondas. As ondas passaram pela primeira fenda e se espalhou em direção às fendas seguintes. Depois que passou pelas duas fendas seguintes, o feixe de luz que passou pela fenda de cima se interceptou com a fenda de baixo e criou o desenho mostrado na Figura 2. Ou seja, somente ondas poderiam fazer tal efeito. A luz não era mais uma partícula, era uma onda.

Em 1905, anos mais tarde, Albert Einstein, refletindo sobre o Efeito Fotoelétrico (capacidade dos materiais de emitir eletricidade quando expostos à luz) teorizou que a luz era composta por uma corrente de pacotes de energia chamados fótons, explicando que quando a luz colide com o elétron ambos comportam-se como corpos materiais (Voltamos à estaca zero, a luz é novamente uma partícula!).

Também foi observado outro efeito em relação ao teste da dupla fenda. Em vez de lançar vários fótons de uma vez, foi lançado um a um num filme fotográfico através da dupla fenda. Se o problema do teste era que um fóton quando passava por uma fenda interferia noutro que estava em outra fenda, passando de um em um esse problema não existiria e o resultado seria duas barras impressas no papel fotográfico. Mas para complicar ainda mais as coisas, o resultado foi o mesmo do primeiro teste. A impressão vista no papel era a interferência de ondas. Como era possível? Foi então que em outro teste decidiram detectar a trajetória de cada onda de luz individualmente antes de passar por uma ou outra fenda para saber por qual ia passar. E conseguiram, mas a diferença foi no final quando revelaram o papel fotográfico mostrando apenas duas fendas e não várias linhas paralelas como nos testes anteriores. Sempre que se lançava os fótons um a um sem saber para onde iriam criava a interferência, mas quando tentava se detectar por onde passavam era criada a imagem de duas fendas sem interferência.

Werner Heinsenberg

Isso pode ser explicado pelo Princípio da Incerteza de Heinsenberg, formulada em 1927 por Werner Heinsenberg que diz, simplificando, que a simples observação (não exatamente olhar, pois isso independe do ser humano, uma melhor palavra seria 'detecção' ) de uma partícula subatômica ou onda altera seu estado ou posição. Ou seja, quando você não estava 'observando' a fóton ele age como uma onda, passa pelas duas fendas ao mesmo tempo(eu sei, isso é estranho, mas é Física Quântica, eu disse que não era simples. Além do mais é uma onda, ela pode fazer isso de qualquer forma) e cria a interferência consigo própria, mas quando você o 'observa', ele muda de estado, ou seja, se transforma em uma partícula e escolhe aleatoriamente uma das fendas para passar, criando no final apenas duas barras

A verdade é o seguinte: Todos estavam certos em relação à luz ser onda ou partícula. A luz é uma partícula, matéria, um corpúsculo. Mas também é uma onda, um feixe de energia. Depende do seu ponto de vista.