A velocidade da luz

Definição da Luz

A luz é um fenómeno ondulatoire visível que corresponde à uma pequena gama das vibrações electromagnéticas que encontram-se no espectro electromagnético.
A natureza da luz turno da mecânica quantum pela qual é ao mesmo tempo uma onda e uma partícula. A luz possui um comprimento de onda, que determina a cor, por exemplo o vermelho emite o comprimento de onda de 700 nm, na Laranja 650 nm, Jaune 600 nm, o Verde 550 nm, Azul o 500 nm e Violeta o 450 nm. É esta janela que escolheu o olho humano para especializar-se. Mas a luz invisível, estende-se sobre mais grande um campo electromagnético.
Maxwell determinou que a luz é uma onda electromagnética e que não há nenhuma razão de limitar o comprimento de onda de esta ao intervalo que corresponde ao espectro da luz visível, todo o espectro é luz. Desde, pôde-se observar que os comprimentos de ondas electromagnéticos variam entre 10-16 m e vários milhares de quilómetros.
As diferentes janelas do espectro electromagnético são caracterizadas por um comprimento de onda, mas também por uma praia de frequências definidas.

Por exemplo uma onda rádio é uma onda electromagnética cuja frequência é inferior à 3000 GHz, ou seja um comprimento de onda superior à 0,1 Srs. A frequência é o número de oscilações electromagnéticas que passam por um ponto dado num segundo.
Exprime-se com a unidade de frequência que é o hertz. Mais o comprimento de onda é curto, mais a frequência é elevada, até muito às elevadas frequências. A frequência é por conseguinte contrariamente proporcional ao comprimento de onda. A velocidade da luz chamada c como célérité, não é uma constante física, único no vazio porque os fotões têm uma massa nula. A radiação electromagnética em geral tem uma velocidade constante no vazio e “linha direita”, que chama-se velocidade da luz.
É fixada à 299.792.458 m/s

Imagem: O espectro electromagnético agrupa todas as janelas de luz. Esta imagem do Sol foi tomada no ultravioleta, ao comprimento de onda 171 angströms ou 17,1 nm. créditos: sonda espacial SOHO instrumento EIT (Extremo ultravioleta Imaging Telescópio). ESA/NASA

A velocidade da luz

Em 1905, Albert Einstein (1879 - 1955), publicou uma teoria que perturbou a nossa representação do mundo. Descobriu que o tempo pode escoar-se mais lentamente e que o espaço pode diminuir. Ao século XIX pensava-se que todas as ondas tinham necessidade de um apoio para deslocar-se como o ar ou a água para o som. Imaginava-se que as ondas luminosas deslocavam-se no vento do éter luminifère.
No fim do século XIX, de 2 físicos, Albert Abraham Michelson (1852 - 1931) e Edward Williams Morley (1838 - 1923) procuraram determinar este fluxo do éter, medindo a velocidade da luz entre duas direcções perpendiculares à dois períodos do ano.
Esperavam-se a medir variações desta velocidade mas o resultado foi surpreendente, todos os raios de luz tinham a mesma velocidade.
Esta famosa experiência valeu à Michelson o prémio Nobel de física em 1907. Cada vez que um progresso técnico permite ganhar em precisão, esta experiência é refeita e o resultado continua o mesmo, a velocidade da luz é o mesma todas as nas direcções.
A velocidade da luz por conseguinte foi fixada à 299.792.458 m/s em 1983 pelo Escritório internacional dos pesos e medidas o que permite dar uma definição precisa ao metro. Como a velocidade da luz é a mesma todas as nas direcções, entra em contradição com as leis da mecânica de Newton e relatividade de Galileu onde as velocidades acrescentam-se. Relatividade galileu diz que o movimento depende do referencial onde mede-o-se, ou seja que é diferente de acordo com o movimento do observador.

Um observador ao solo que vê passar um avião, não tem a mesma perceção da velocidade do avião que um piloto volant lado, um outro em avião.
De acordo com esta teoria, o homem ao solo e o piloto do avião deveriam ver os raios de luz viajar à velocidades diferentes. Também, um avião volant à velocidade da luz teria podido ver que a luz fazia sobre o lugar.
Uma luz que não move!
Einstein não podia concebê-lo. Para ele, era mais provável que a luz tivesse sempre a mesma velocidade, interessou-se por conseguinte às publicações de Michelson e de Morley. Se a velocidade da luz continua constante, dois observadores que têm movimentos diferentes, devem registar para um fotão, uma velocidade e uma distância percorrida idênticos.
Ora não é que observa-se. 299.792.458 m/s = espaço/tempos

N.B.: “O metro é o comprimento do trajecto percorrido no vazio pela luz durante uma duração de 1/299 792.458 segundo. »

Imagem: Einstein vai repôr em causa e relativizar o carácter absoluto do espaço e o tempo. A velocidade é igual à distância dividida pelo tempo mas a velocidade é constante e por conseguinte os 2 outros termos da equação, a distância e o tempo, dependem do movimento do observador.

O espaço e o tempo

Um raio laser que se reflecte sobre a Lua põe 1,3 s a ir-o e 1,3 s ao regresso. Vai-o - e - vem do movimento do raio laser que viaja entre 2 espelhos pode ser considerado como um relógio. Um piloto que passa muito à grande velocidade ao lado da Terra e a Lua observa um fenómeno estranho, vê a luz deslocar-se não à vertical mas zigzag.
Do seu ponto de vista o raio percorra uma distância mais longa que se fosse um simples observador sobre Terra. Se compara-se as 2 distâncias percorridas pelo laser, a do observador ao solo é mais curta que a vista pelo piloto. Já que a luz pode ter apenas só uma velocidade não pode compensar a diferença.
Tem por conseguinte necessidade de mais tempos. Assim do ponto de vista do piloto o pêndulo de luz oscila mais lentamente, o tempo escoa-se mais lentamente. Na embarcação espacial, o tempo dilata-se. Esta primeira descoberta Einstein révolutionne a nossa visão do mundo, o movimento provoca uma retardação do tempo.
Desde esta teoria foi demonstrado de maneira prática com os relógios atómicos que permitem medidas extremamente precisas.

Dois relógios atómicos, uma instalada num avião e o outro colocada sobre terra, obtêm medidas do tempo diferentes. O relógio do avião é mais lento de alguns nanossegundos, mas a diferença é real. Esta ínfima diferença tem à velocidade do avião. Todos os engenhos em movimento são tocados pela dilatação do tempo. Mais o piloto vai mais rapidamente o tempo dilata-se. Mas não observa nada, vêem nem a dilatação do tempo, nem apenas a embarcação e ele mesmo diminuem na direção do movimento.
É a segunda descoberta estranha Einstein, os objetos em movimento diminuem. Após uma viagem de um ano à velocidade da luz o piloto da embarcação espacial envelheceu de um ano. Terrestres, envelheceram de 20 anos. Por conseguinte viajou dans le futur. Mas esta viagem imaginária do piloto verificar-se-á que quando tivermos multiplicar por 15 000, a velocidade das nossas embarcações espaciais. New Horizontes é o engenho terrestre mais rápido que viaja no espaço.
Fora Jupiter, atingiu, por efeito de assistência gravitacional, uma velocidade de 75 000 km/h ou 21 km/s. A Terra viaja em redor do Sol à cerca de 105.522 km/h ou 29,3 km/s.

Imagem: A esquerda da imagem o observador sobre Terra vê o raio laser deslocar-se à vertical e o piloto da embarcação espacial vê-o deslocar-se zigzag e assim percorrer uma distância mais longa.

Que torna-se a massa?

Mais um corpo desloca-se rapidamente mais a sua massa aumenta. É a terceira descoberta Einstein. Constata que a massa está nada de outro apenas da energia sob uma forma específica. É conclusão mais importante da sua teoria relativité.
Esta energia é calculada multiplicando a massa pelo quadrado da velocidade da luz (E=mc2). Compreende-se enquanto que a potência da energia contida na matéria é gigantesca, mesmo quando corpo é um inerte. E é a energia expressa em joule, m a massa em Kg e c a velocidade da luz em m/s.
A energia que corresponde à 1 Kg de matéria é que sidera, porque ela atinge 9×10¹⁶ joules (1kw/h = 3.600.000 J). Aquilo corresponde à energia produzida por um reactor nuclear de uma potência 1400 MW durante dois anos cerca de. Enquanto que esta fórmula é considerada como simples uma possibilidade teórica, os físicos do átomo constatam que os protões e neutrões são ligados os uns aos outro por uma incroyable força. Esta força explica o funcionamento do nosso Sol e a enorme potência de destruição da bomba atómica. E=mc2 não é mais umas umas simples teorias. Einstein redefiniu certas leis da natureza, mas a sua teoria tem limites, é para aquilo que chama-se teoria relativité restrito. É apenas quando objetos passam à grande velocidade, em linha direita ao lado do observador, que reduzem e que os relógios retardam. Faltava uma força na sua teoria que não se integra, a Gravidade enquanto que influencia todos os fenómenos físicos. Durante 10 anos bate-se com a teoria relatividad general para a solução por último encontrar em 1916. O tempo e o espaço não somente não são alterados pelo movimento mas também pela matéria. Mais aproximamo-nos centro da Terra, mais o relógio retarda.

Ao bordo do mar o tempo escoa-se mais lentamente que à cimeira Everest. À 20.200 Km de altitude a diferença de tempos com o solo é sensível ao ponto que é tida em conta pelos satélites positionnement GPS.
A matéria influencia também o espaço, o que tem por efeito de alterar o comprimento dos objetos quando aproximam-se dos corpos celestiais.
Se introduz-se toise que atravessa o centro da Terra para medir o diâmetro, indicará um valor mais grande que o comprimento do diâmetro.
Einstein conclui que o espaço aumenta. Tem-se o mal a imaginar que ao centro da Terra tem um volume mais grande que vê-o-se do exterior como sobre a imagem oposto. É para aquilo que simplifica-se a representação do espaço sobre uma superfície plana bidimensional curvado pela gravidade. Quando o espaço aumenta a superfície estira-se e curva-se.
É mais maior proeza Einstein, muito simplesmente teve êxito a definir a Gravidade. Se caímos, é devido à curvatura do espaço tempo. É também esta curvatura que impõe aos planetas uma trajectória em órbita em redor do poço gravitacional do Sol. A prova da existência desta curvatura veio o 29 de maio 1919 aquando de um eclipse total do Sol pela Lua. As estrelas de trás o Sol são visíveis durante alguns minutos porque eventualmente perto do Sol a luz é desviada e deslocada sobre uma trajectória curva. Esta primeira observação da estrutura do espaço tempo, conforme com a teoria, fez o triunfo Einstein.
Quando uma estrela desmorona sobre ela em mesmo fim de vida, ela implose sob a enorme pressão da sua própria gravidade. Curva o espaço tempo de maneira tão intensa que mais nenhuma luz escapa-se do poço gravitacional e a estrela torna-se invisível, é que chama-se um buraco preto.

Imagem: representação simplificada do espaço sobre uma superfície plana bidimensional curvada pela gravidade. Quando o espaço aumenta a superfície estira-se e curva-se. A teoria relativité pertence à uma teoria ainda mais vasta que não compreendemos ainda.
“É absolutamente possível que para além deque percebem os nossos sentidos, escondem-se dos mundos insuspeitos.”
Albert Einstein preço nobre em 1921.