Velocidade da luz

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Este é un dos 1000 artigos que toda Wikipedia debería ter.
Velocidade da luz
Nesta imaxe, unha luz láser móvese polo aire o 99,97% da velocidade da luz no baleiro.
Nesta imaxe, unha luz láser móvese polo aire o 99,97% da velocidade da luz no baleiro[1]
Valores exactos
Metros por segundo 299.792.458
Lonxitude de Planck por tempo de Planck
(i.e., unidades de Planck)
1
Valores aproximados
Quilómetros por segundo 300.000
Quilómetros por hora 1.080 milions
Unidades astronómicas por día 173
Tempo aproximado que tarda a luz en percorrer...
un centímetro 0,033 ns
un metro 3,3 ns
un quilómetro 3,3 μs
una milla 5,4 μs
ao redor do ecuador da Terra 0,13 s
desde a Terra á órbita xeoestacionaria e de volta 0,24 s
da Terra a Lúa 1,3 s
da Terra o Sol 8,3 min
da Terra a Alpha Centauri 4,4 anos
dun extremo o outro da Vía Láctea 100.000 anos
A luz do Sol tarda uns 8 minutos e 17 segundos en percorrer os 150 millóns de quilómetros de distancia media entre a superficie do Sol e a Terra.

A velocidade da luz no baleiro, comúnmente representada coa letra c, é unha constante física universal importante en moitos campos da física. O seu valor é de exactamente 299.792.458 metros por segundo (1.079.252.848,8 km/h), un valor exacto polo que a lonxitude do metro defínese a partir desta constante asi como a definición estándar internacional de segundo.[2] Como explicación da exactitude citada, hai que ter en conta que aínda que anteriormente a velocidade da luz medíase en función de espazo e tempo e as súas unidades, na actualidade é a unidade de lonxitude, o metro, a que é definida en función da velocidade da luz no baleiro, como o espazo que percorre a luz en 1/299.792.458 de segundo. Dacordo coa relatividade especial, c é a velocidade máxima á que todas as partículas sen masa e os seus campos asociados (incluíndo a radiación electromagnética tal como a luz e as ondas gravitacionais) viaxan no baleiro. É tamén a velocidade da gravidade (é dicir, das ondas gravitatorias ) predita polas teorías actuais. Estas partículas e ondas viaxan a c, independientemente do movemento da fonte ou do sistema de referencia inercial do observador. Na teoría da relatividade, c interrelaciona o espazo e o tempo, e tamén aparece na famosa ecuación de equivalencia masa-enerxía, E = mc2.[3]

Noutros medios, esta velocidade é menor e depende do índice de refracción. A velocidade á que a luz se propaga a través de materiais transparentes, como o vidro ou o ar, é menor que c. A relación entre c e a velocidade v á que viaxa a luz a través dun material denomínase o índice de refracción n do material (n = c / v). Por exemplo, o índice de refracción do vidro pola luz visible é típicamente de aproximadamente 1,5, o que significa que a luz no vidro viaxa a c / 1,5 ≈ 200.000 km/s; o índice de refracción do aire pola luz visible é de 1,000293, polo que a velocidade da luz no aire é de 299 705 km/s (preto de 88 km/s máis lenta que c).

Nalgúns casos, pódese considerar, de xeito aproximado, que a luz e outras ondas electromagnéticas móvense "instantáneamente", pero para longas distancias e medidas moi sensibles á súa velocidade finita ten efectos perceptibles. Por exemplo, na comunicación con sondas espaciais afastadas, unha mensaxe pode tardar varios minutos e ata horas en ir desde a Terra ata a sonda. A luz das estrelas que vemos e nos deixarón fai moitos anos, o que permite estudar a historia do universo mediante a observación de obxectos distantes. A velocidade finita da luz tamén limita a velocidade máxima teórica dos ordenadores, xa que a información debe ser enviada dentro do ordenador dun chip a outro. Finalmente, a velocidade da luz pódese utilizar en medidas de tempo de voo para medir grandes distancias cunha alta precisión.

A primeira proba experimental de que a luz tiña unha velocidade finita (a diferenza de facelo de xeito instantánea) débese a Ole Christensen Rømer, que a calculou cunha precisión notable, cando estudaba o movemento aparente da lúa de Xúpiter Ío, tendo en conta o suporte técnico e teórico de que dispuña (Newton aínda non escribira os Principia Mathematica).

Foi con James Clerk Maxwell, e coas Ecuacións de Maxwell, cando se dispuxo dun marco teórico que insiría a luz no eido do electromagnetismo, convertendo a velocidade da luz no baleiro, na velocidade das ondas electromagnéticas no mesmo.[4] Pero en 1905, será Albert Einstein, quen defendera que a velocidade da luz respecto calquera sistema inercial é independente do movemento da fonte de luz, [5] e explorou as consecuencias deste postulado a través da teoría especial da relatividade e mostrou que o parámetro c tiña relevancia fora do contexto da luz e o electromagnetismo. Logo de séculos de medidas cada vez máis precisas, en 1975 atopouse que a velocidade da luz era de 299.792.458 m/s, cunha incerteza de medida de 4 partes por mil millóns. En 1983, o metro foi redefinido no Sistema Internacional de Unidades (SI) como a distancia percorrida pola luz no baleiro en 1/299.792.458 segundos. Como resultado, o valor numérico de c en metros por segundo queda actualmente fixado exactamente pola definición do metro. [6]

Notación e unidades[editar | editar a fonte]

Normalmente utilízase o símbolo c, de "constante" ou do latín celeritas ("rapidez") para denotar a velocidade da luz no baleiro.[7] Orixinalmente utilizábase o símbolo V para a velocidade da luz, introducido por James Clerk Maxwell en 1865 En 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usaran c para unha constante diferente que no futuro mostraríase ser igual a \sqrt{2} veces a velocidade da luz no baleiro. En 1894, Paul Drude redefiniu c ao seu significado moderno. En 1905, Einstein utilizou V nos seus artigos orixinais en alemán sobre a relatividade especial, pero en 1907 pasouse a c, que entón se converteu xa no símbolo estándar.[8][9]

Ás veces, c utilízase para a velocidade das ondas en calquera medio, e c0 para a velocidade da luz no baleiro.[10] Esta notación onde se usa o subíndice, apoiada na documentación oficial do SI,[6] ten a mesma forma que outras constantes relacionadas: μ0 para a permeabilidade do baleiro ou constante magnética, ε0 para a permitividade do baleiro ou constante eléctrica, e Z0 para a impedancia característica do baleiro. Neste artigo utilízase c exclusivamente para a velocidade da luz no baleiro.

Desde 1983, o metro definiuse no SI como a distancia que a luz percorre no baleiro en 1/299.792.458 partes de segundo. Esta definición fixa a velocidade da luz no baleiro en exactamente 299.792.458 m/s.[11][12][13] Como unha constante física dimensional, o valor numérico de c é diferente para diferentes sistemas de unidades. Nas ramas da física na que c aparece a miúdo, como a relatividade, é común o uso dos sistemas de unidades naturais de medida ou o sistema de unidades xeometrizado, onde c=1.[14][15] Co uso destas unidades, c non aparece explícitamente porque a multiplicación ou división por 1 non afecta ao resultado.

Descrición[editar | editar a fonte]

Dacordo coa física moderna toda radiación electromagnética (incluída a luz visible) propágase ou move a unha velocidade constante no baleiro, coñecida comunmente -aínda que impropiamente[Cómpre referencia]- como "velocidade da luz" (magnitude vectorial), no canto de "rapidez da luz" (magnitude escalar). Esta é unha constante física denotada como c. A rapidez c é tamén a rapidez da propagación da gravidade na teoría xeral da relatividade.

Unha consecuencia nas leis do electromagnetismo (tales como as ecuacións de Maxwell) é que a rapidez c de radiación electromagnética non depende da velocidade do obxecto que emite a radiación. Así, por exemplo, a luz emitida dunha fonte de luz que se move rápidamente viaxaría á mesma velocidade que a luz provinte dunha fonte estacionaria (aínda que o cor, a frecuencia, a enerxía e o momentum da luz cambiarán; fenómeno que se coñece como efecto Doppler).

Se se combínase esta observación co principio de relatividade, conclúese que todos os observadores medirán a velocidade da luz no baleiro como unha mesma, sen importar o marco de referencia do observador ou a velocidade do obxecto que emite a luz. Debido a isto, pódese ver a c como unha constante física fundamental. Este feito, entón, pode ser usado como base na teoría de relatividade especial. A constante é a rapidez c, no canto da luz en si mesma, o cal é fundamental para a relatividade especial. Deste xeito, si a luz é dalgún xeito retardada para viaxar a unha velocidade menor a c, isto non afectará directamente á teoría de relatividade especial.

Observadores que viaxan a grandes velocidades atoparán que as distancias e os tempos distorsionanse de acordo coa transformación de Lorentz. Con todo, as transformacións distorsionan tempos e distancias de maneira que a velocidade da luz permanece constante. Unha persoa viaxando a unha velocidade próxima a c tamén atopará que as cores da luz á fronte se tornan azuis e atrás tornanse vermellos.

Se a información puidese viaxar máis rápido que c nun marco de referencia, a causalidade sería violada: noutros marcos de referencia, a información sería recibida antes de ser mandada; así, a causa podería ser observada despois do efecto. Debido á dilatación do tempo da relatividade especial, o cociente do tempo percibido entre un observador externo e o tempo percibido por un observador que se move cada vez máis preto da velocidade da luz aproxímase a cero. Se algo puidese moverse máis rápidamente que a luz, este cociente non sería un número real. Tal violación da causalidade nunca se observou.

Light cone.png

Un cono de luz define a ubicación que está en contacto causal e aquelas que non o están. Para expoñelo doutro xeito, a información propágase de e cara a un punto de rexións definidas por un cono de luz. O intervalo AB no diagrama á dereita é de "tipo tempo" (é dicir, hai un marco da referencia en que acontecemento A e B ocorren na mesma ubicación no espazo, separados soamente pola súa ocorrencia en tempos diferentes, e si A precede B nese caso entón A precede B en todos casos: non hai caso de referencia no cal o evento A e o evento B ocorran simultáneamente). Deste xeito, é hipotéticamente posible para a materia (ou a información) viaxar de A cara a B, así que pode haber unha relación causal (con A a causa e B o efecto).

Por outra banda, o intervalo AC é de "tipo espazo"[Cómpre referencia] (é dicir, existe un marco de referencia onde o evento A e o evento B ocorren simultáneamente). Con todo, tamén existen marcos nos que A precede a C ou no que C precede a A. Confinando un xeito de viaxar máis rápido que a luz, non será posible para ningunha materia (ou información) viaxar de A cara a C ou de C cara a A. Deste xeito non hai conexión causal entre A e C.

De acordo á definición actual, adoptada en 1983, a rapidez da luz é exactamente 299 792 458 m/s (aproximadamente 3 × 108 metros por segundo, 300 000 km/s ou 300 m por millonésima de s).


O valor de c define a permitividade eléctrica do baleiro (\varepsilon_0) en unidades do SIU como:

 \varepsilon_0=10^{7}/4\pi c^2 \quad \mathrm{(en~ A^2\, s^4\, kg^{-1}\, m^{-3}=F \, m^{-1})}

A permeabilidade magnética do baleiro (\mu_0) non é dependente de c e é definida en unidades do SIU como:

 \mu_0=4\,\pi\, 10^{-7} \quad \mathrm{(en~ kg\, m\, s^{-2}\, A^{-2}=N \, A^{-2})}.

Estas constantes aparecen nas ecuacións de Maxwell, que describen o electromagnetismo e están relacionadas por:

c=\frac {1} {\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}

As distancias astronómicas son normalmente medidas en anos luz (que é a distancia que percorre a luz en un ano, aproximadamente 9.46 × 1012 km (9.46 billóns de km).

Definición do metro[editar | editar a fonte]

Artigo principal: Metro.

Historicamente, o metro foi definido como unha fracción da lonxitude dun meridiano a través de París, con referencia á barra estándar e con referencia a unha lonxitude de onda dunha frecuencia particular da luz. Dende 1983 o metro foi definido en referencia ao segundo e a velocidade da luz.

En 1967 a XIII Conferencia Xeral de Pesos e Medidas definiu ao segundo do tempo atómico como a duración de 9 192 631 770 períodos de radiación correspondente á transición entre dous niveis hiperfinos do estado fundamental do átomo cesio-133, que na actualidade segue sendo a definición do segundo.

En 1983 a Conferencia Xeral de Pesos e Medidas definiu o metro como a lonxitude da traxectoria viaxada pola luz en absoluto baleiro durante un intervalo de tempo de1/299 792 458 de segundo, baseándose na constancia da rapidez da luz para todos os observadores. Isto significa que ao medir a rapidez da luz, ao achar calquera diferenza medible dos valores definidos, entón a lonxitude de tempo estándar é incorrecta, ou está a exhibir un cambio dende o último momento en que foi medida. Se tal cambio fose real na física, e non un erro adxudicable a unha perturbación (como un cambio de temperatura ou un choque mecánico), entón teríase feito un importante descubrimento.

A motivación no cambio da definición do metro, así como todos os cambios na definición de unidades, foi prover unha definición precisa da unidade que puidese doadamente ser usada para calibrar homoxeneamente dispositivos en todo o mundo. A barra estándar non era práctica neste sentido, xa que non podía ser sacada da súa cámara ou utilizada por dous científicos ao mesmo tempo. Tamén era propensa a cambios masivos de lonxitude (comparados á exactitude requirida) debido a variacións de temperatura, polo que requiriu un longo tempo de axustes, desgaste dos extremos, oxidación, etc., o que se converteu en importantes problemas na busca da exactitude perfecta.

Comunicacións[editar | editar a fonte]

Temps de parcours GPS.PNG

A velocidade da luz é de gran importancia para as telecomunicacións. Por exemplo, dado que o perímetro da Terra é de 40.075 km (na liña ecuatorial) e c é teóricamente a velocidade máis rápida na que un fragmento de información pode viaxar, o período máis curto de tempo para chegar ao outro extremo do globo terráqueo sería 0.067 s.

En realidade, o tempo de viaxe é un pouco máis longo, en parte debido a que a velocidade da luz é preto dun 30% menor nunha fibra óptica, e raramente existen traxectorias rectas nas comunicacións globais; ademais prodúcense atrasos cando o sinal pasa a través de interruptores eléctricos ou xeradores de sinais. En 2004, o retardo típico de recepción de sinais desde Australia ou Xapón cara aos EE.UU. era de 0.18 s. Adicionalmente, a velocidade da luz afecta ao deseño das comunicacións inalámbricas.

A velocidade finita da luz fíxose aparente a todo o mundo no control de comunicacións entre o control terrestre de Houston e Neil Armstrong, cando este se converteu no primeiro home que puxo un pé sobre a Lúa: logo de cada pregunta, Houston tiña que esperar preto de 3 s para o regreso dunha resposta aínda cando os astronautas respondían inmediatamente.

De xeito similar, o control remoto instantáneo dunha nave interplanetaria é imposible debido a que unha nave suficientemente afastada do noso planeta podería tardar algunhas horas desde que envía información ao centro de control terrestre e recibe as instrucións.

A velocidade da luz tamén pode ter influencia en distancias curtas. Nos superordenadores a velocidade da luz impón un límite de rapidez á que poden ser enviados os datos entre procesadores. Si un procesador opera a 1 xigahertz, o sinal só pode viaxar a un máximo de 300 mm nun ciclo único. Polo tanto, os procesadores deben ser colocados preto un doutro para minimizar os atrasos de comunicación. Si as frecuencias dun reloxo continúan incrementándose, a rapidez da luz finalmente converterase nun factor límite para o deseño interno de chips individuais.

Notas[editar | editar a fonte]

  1. Michael De Podesta (2002) (en inglés). Understanding the Properites of Matter. CRC Press. ISBN 0415257883. http://books.google.cat/books?id=h8BNvnR050cC&pg=PA131&lpg=PA131. Consultado o 21/09/2014.
  2. Penrose 2004, p. 410-411:
    the most accurate standard for the metre is conveniently defined so that there are exactly 299,792,458 of them to the distance travelled by light in a standard second, giving a value for the metre that very accurately matches the now inadequately precise standard metre rule in Paris. o estándar do metro máis preciso defínese convenientemente de modo que sexa exactamente 299.792.458 a distancia que percorre a luz nun segundo estándar, resultando un valor do metro que coincide actualmente de xeito estándar mais precisa que a inadecuada e imprecisa do metro de París.
    Roger PenroseThe Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe
  3. Uzan & Leclercq 2008, p. 43-44.
  4. How is the speed of light measured? Philip Gibbs (1997) (en inglés)
  5. Stachel, JJ (2002) (en inglés). Einstein from "B" tono "Z "- Volume 9 of Einstein studies. Springer. p. 226. ISBN 0-8176-4143-2. http://books.google.com/books?id=OAsQ_hFjhrAC&pg=PA226.
  6. 6,0 6,1 The International System of Unidos (SI) (8a ed. ed.). International Bureau of weight and Measures. 2006. pp. 112. ISBN 92-822-2213-6.
  7. A C maiúscula é o símbolo nno Sistema Internacional de Unidades (SI) do culombio.
  8. Gibbs, P (2004). "Why is c the symbol for the speed of light?". Usenet Physics FAQ. Universidade de California, Riverside. Arquivado do orixinal o 2009-11-17. http://www.webcitation.org/5lLMPPN4L. Consultado o 2009-11-16.
  9. Mendelson, KS (2006). "The story of c". American Journal of Physics 74. Bibcode 2006AmJPh..74..995M. DOI:10.1119/1.2238887.
  10. See for example:
  11. Sydenham, PH (2003). "Measurement of length". Instrumentation Reference Book (3a ed. ed.). Butterworth–Heinemann. pp. 56. ISBN 0-7506-7123-8. http://books.google.com/books?id=sarHIbCVOUAC&pg=PA56. "... if the speed of light is defined as a fixed number then, in principle, the time standard will serve as the length standard ..."
  12. "CODATA value: Speed of Light in Vacuum". The NIST reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c. Consultado o 2009-08-21.
  13. Jespersen, J; Fitz-Randolph, J; Robb, J (1999). From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency (1977a ed. ed.). pp. 280. ISBN 0-486-40913-9. http://books.google.com/?id=Z7chuo4ebUAC&pg=PA280.
  14. Lawrie, ID (2002). "Appendix C: Natural units". A Unified Grand Tour of Theoretical Physics (2a ed. ed.). pp. 540. ISBN 0-7503-0604-1. http://books.google.com/books?id=9HZStxmfi3UC&pg=PA540.
  15. Hsu, L (2006). "Appendix A: Systems of units and the development of relativity theories". A Broader View of Relativity: General Implications of Lorentz and Poincaré Invariance (2a ed. ed.). World Scientific. pp. 427–8. ISBN 981-256-651-1. http://books.google.com/books?id=amLqckyrvUwC&pg=PA428.

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Commons
Commons ten máis contidos multimedia na categoría: Velocidade da luz

Bibliografia[editar | editar a fonte]

Outros artigos[editar | editar a fonte]