A Natureza de Luz: O Quadro de Referência da Fonte

Suponha que a luz era a parte da essência da sua fonte que se dispersou através do espaço. Então, seria plausível considerar a velocidade da luz como sendo relativa somente ao quadro de referência da sua fonte. [English] [PDF]

Classicamente, foi aceito que a luz deve viajar como uma perturbação progressiva dentro do quadro universal de referência de um éter luminífero. Esta idéia foi desacreditada, porque a luz parecia atravessar o espaço entre qualquer fonte e qualquer observador em uma velocidade universalmente fixa c. Esta velocidade parecia ser independente da velocidade relativa da fonte, observador e o resto do universo. Foi posteriormente teorizado que a luz sempre viajava na sua velocidade universalmente fixa c, do ponto da vista de qualquer observador que se movia com uma velocidade constante. Já exploramos a visão centrada deste observador da propagação da luz na nossa seção prévia.

Contudo, a idéia de que a velocidade da luz parece ser a mesma sob os pontos da vista de todos os observadores que estão se movendo com a velocidade constante é também problemática. Isto é porque a aparente distância das viagens de luz, indo da sua fonte a um observador, diferenciam-se segundo consideramos o processo do ponto da vista da fonte ou do ponto da vista do observador. O mesmo é verdadeiro durante o tempo que ela gasta. Este problema foi evitado, postulando que o espaço fica contratado por montantes diferentes, dentro dos quadros de referência de observadores diferentes, segundo a sua velocidade relativa à fonte da luz. Esta postulação também requeria que o tempo ficasse dilatado.

Não obstante, acredito que há um modo mais plausível para interpretar a observação que deve ser considerada. Primeiramente, vamos olhar novamente para a passagem da luz entre a fonte e o observador, do ponto da vista de um observador arbitral.

A Visão Centrada no Observador

Um observador está observando uma fonte de luz. Ela está afastando-se do observador em uma fração significante v da velocidade da luz. No espaço livre sabemos que a velocidade é relativa. Conseqüentemente, não importa se nós pensamos que o observador está "estacionário" e a fonte de luz está "em movimento" ou se pensamos que a fonte de luz está "estacionária" e o observador está "em movimento". Qualquer desses dois pontos de vista que escolhemos não deve fazer, em princípio, nenhuma diferença no modo como a luz viaja entre a sua fonte e o observador. Se aceitarmos que a luz viaja à velocidade c em todas os quadros de referência em movimento uniforme, então, para qualquer observador da fonte de luz esses dois pontos de vista serão como se segue.

1) Fonte de Luz em Movimento

O caso onde consideramos a fonte de luz em movimento é mostrado à direita. Um pulso de luz viaja da posição no Quadro de Referência do observador, onde foi emitido pela fonte de luz. Ele atravessa o espaço daquele ponto a onde o observador está localizado "na origem" do sistema de coordenada do seu Quadro de Referência. Ele atravessa este espaço na velocidade c em tempo t. A distância que ele viaja é, por isso, ct. Durante o tempo t, a fonte de luz "em movi­mento" viaja a uma distância vt mais além do observador, onde v é a velocidade relativa entre o observador e a fonte de luz. Ao tempo em que o pulso de luz alcança o observador, este o verá como vindo da posição aonde a fonte de luz estava, quando ela emitiu o pulso de luz.

As conseqüências disto são como se segue. O observador vê só um fantasma da fonte de luz como se ela estivesse e onde estivesse em um montante do tempo t no passado. O observador não tem nenhum capacidade de ver a fonte de luz como está "agora" e onde está "agora". Pelo termo "agora" significo "o instante em que o observador está recebendo a luz". A distância em qualquer instante dado entre o observador e a realidade atual da fonte de luz é (v + c)t.

2) Observador em Movimento

À esquerda é mostrada a situação inversa onde consideramos estar a fonte de luz "estacionária" e o observador "em movi­mento". Um pulso de luz é emitido pela fonte de luz. Ele viaja na velocidade c em direção ao observador. Enquanto o pulso de luz está viajando em direção ao observador, o observ­ador está movendo-se cada vez mais distante da fonte de luz na velocidade v. Assim, ao tempo em que o pulso de luz alcança o observador, ele viajava a uma distância vt a mais da fonte de luz. Durante este mesmo montante de tempo t, o pulso de luz viajava a uma distância ct. Assim, nesta situação, a distância entre a realidade da fonte de luz e o observador é simplesmente ct e não (v + c) t. Além disso, o observador percebe a fonte de luz estar "agora" onde de fato está "agora", embora ele a veja, como se estivesse, num montante de tempo t no passado.

Por favor, observe que a distância (c + v) t, na primeira situação, é a mesma distância que ct na segunda situação. Portanto, o t é um maior montante de tempo na segunda situação. Vamos agora comparar essas duas situações, supostamente equivalentes e cambiáveis, descritas acima.

Quando consideramos estar o observador "estacionário" e a fonte de luz "em movimento", o observador percebe estar a fonte de luz:

  1. onde estava em um montante de tempo t no passado,
  2. como estava em um montante de tempo t no passado.
Quando consideramos estar o observador "em movimento" e a fonte de luz "estacionária", o observador percebe estar a fonte de luz:
  1. onde está "agora",
  2. como estava em um montante de tempo t no passado.

Claramente, essas duas situações não são equivalentes e cambiáveis. Temos um paradoxo evidente. Este paradoxo fica mais complicado mesmo quando consideramos o experimento clássico do Relógio de Luz.

O Experimento do Relógio de Luz

Um relógio de luz compreende uma fonte de luz, um espelho colocado a uma distância fixa x longe da fonte e um detector ao lado da fonte de luz. Este arranjo está ilustrado à direita. A fonte de luz é provocada eletronica­mente para emitir um pulso muito curto de luz. A luz viaja até o espelho de onde é refletido atrás no detector. O detector emite um pulso elétrico que provoca a fonte de luz para emitir o próximo pulso de luz. O período do relógio, isto é, a duração do tic-tac do relógio é o montante do tempo requerido pela luz para viajar a distância 2x em direção ao espelho e retornar. Devemos fazer a distância x muito grande para que os atrasos no gatilho eletrônico sejam negligenciável em comparação com o tempo levado pela luz para viajar até o espelho e retornar.

O diagrama mostra as trajetórias da ida e da volta do pulso de luz com um pequeno ângulo entre um trecho e o outro. Isto está somente para esclarecer a ilustração. O intento é que a fonte de luz e o detector devem ser tão pertos quanto possível, de modo a ida do pulso pode seguir exatamente a mesma linha que a volta.

A mesma fonte de luz que envia o pulso de luz na direção do espelho também envia um pulso de luz em direção ao observador, como mostrado à esqu­erda. A emissão deste pulso marca a partida de um novo período do relógio. Depois, quando o pulso de luz volta do espelho e entra no detector, este provoca a fonte de luz novamente para enviar outro pulso. A emissão deste segundo pulso marca o fim deste período do relógio e a partida do próximo pulso. Este segundo pulso também viaja em direção ao observador, chegando um tanto mais tarde.

Vamos agora virar o relógio na posição horiz­ontal. Isto é mostrado à direita. O diagrama do relógio foi simplificado. Um observador observa como o contador eletrônico do relógio conta os períodos do relógio. O observador está estacion­ário em relação ao relógio. Se o observador e o relógio estão estacionários ou se estão móveis em conjunto na mesma velocidade v é irrelevante ao período do relógio observado pelo observador.

Ignorando os atrasos "negligenciáveis" na eletrônica do relógio, o período do tic-tac do relógio será 2x/c segundos. Agora suponha que o relógio está afastando-se do observador na velocidade v, como representado abaixo.

No mesmo instante em que o pulso de luz deixa a fonte de luz, a informação deste evento deixa a fonte de luz também. Esta informação atravessa a distância d entre a fonte de luz e o observador à velocidade da luz, c.

No quadro de referência do observador, nós podemos ver que no momento em que a luz alcança o espelho, este viajou uma distância ½(vt) mais além disso. O espelho reflete a luz. Mas agora ele não tem de ir mais longe. Isto é porque até ao fim do período do tic-tac do relógio t, o detector de luz viajou uma distância vt maior além do observador. Não obstante, a distância real viajada pela luz (no quadro de referência do observador) é ainda 2x, como estava para o observador "em movimento", no caso acima. Vamos confirmá-lo. Para alcançar o espelho, a luz viaja uma distância x + ½ (vt). Para regressar do espelho ao detector, o pulso de luz viaja uma nova distância de x - ½(vt). Portanto, a distância total que ele viaja é 2x. Assim, não há nenhuma necessidade de contração do espaço e dilatação do tempo para explicar este fenômeno.

Quando o pulso de luz chega ao detector de luz, a informação deste evento empreende a sua viagem do detector ao observador. Esta informação, contudo, deve viajar uma distância de d + vt. Portanto, a informação que avisa ao observador do fim da tic-tac do relógio deve viajar uma distância vt além disso do que a informação que o avisou do início do tic-tac do relógio. Isto significa que o período do tic-tac do relógio, do ponto de vista do observador, é (2x + vt)/c segundos ao invés do simples 2x/c segundos, como foi para o observador "em movimento".

Vamos agora virar o relógio de luz "em movimento" da posição horizontal para vertical, de modo que o seu pulso de luz vai e volta do espelho em uma direção perpen­dicular em relação à direção do observador "estacionário". Considere o caminho do pulso de luz do relógio dentro do quadro de referência do observador. Ao tempo em que o pulso de luz da fonte chega ao espelho, o próprio espelho moveu uma distância ½(vt) a mais à direita. Então, ao tempo em que o pulso de luz refletido fez a viagem de regresso e alcançou o detector, o próprio detector moveu a distância cheia de vt de onde estava quando o pulso de luz originalmente deixou a fonte.

Isto significa que, dentro do quadro de referência do observador "estacionário", o pulso de luz do relógio viaja a distância D, dado pela fórmula mostrada no diagrama à esquerda. Esta fórmula é conseguida aplicando o Teorema de Pitágoras a uma metade do triângulo isósceles formado pelo caminho do pulso de luz e a linha da base e, então, dobrando o resultado.

Deste raciocínio, pareceria que o período do tic-tac do relógio de luz, como percebido pelo observador "estacionário", seria (D + vt)/c segundos.

A velocidade é um conceito relativo. Isto significa que somos livres para trocar quem consideramos estarem "estacionários" e quem consideramos estarem "em movimento". Então agora, considerem o relógio de luz estando "estacionário" e o observador "em movimento" em relação ao relógio de luz, como mostrado à direita. A diferença nos tempos de chegada ao observador entre os sinais que marcam o início e o fim de um tic-tac do relógio é agora só (2x + vt)/c segundos. A diferença quantitativa entre este período e o período (D + vt)/c (para o relógio "em movimento" obtido acima) não é importante. O que é importante é simplesmente que eles são diferentes.

Cada um pode argumentar que a razão da diferença é que estamos considerando a situação sob os pontos de vista de dois quadross de referência diferentes. Contudo, se houvesse um milhão de observadores diferentes, cada um viajando em uma velocidade e direção diferentes, com respeito ao relógio de luz, haveria um milhão de valores diferentes de D da passagem da luz dentro de um único relógio. Cada observador também perceberia um período diferente do tic-tac do relógio quando o relógio "em movimento" estivesse em linha com relação ao observador, compara­tivamente com quando o relógio estivesse na perpendicular ao observador ou em algum outro ângulo.

A presença de todos esses observadores assim contratam o espaço e dilatam o tempo dentro da vizinhança deste relógio único? Este relógio de luz existe efetivamente em uma superposição diferente do estado dentro de um milhão de universos diferentes?

Com respeito ao relógio de luz, um observador é passivo. Para todos os objetivos práticos, ele não tem nenhum efeito no relógio. Conseqüentemente, o trânsito da luz da fonte ao espelho e do retorno ao detector não está, de modo nenhum, sob o efeito da sua presença ou da presença de muitos observadores que possamos considerar. Além disso, durante a sua viagem da fonte ao espelho e do retorno ao detector, a luz dentro do relógio de luz não é observável pelo observador. A luz nasce, vive e morre dentro dos limites do relógio. Qualquer observador só pode observar sinais de informações, isto é, ele pode experimentar a chegada de ondas de luz que estão viajando diretamente em direção a ele. Tais fenômenos que viajam em qualquer outra direção não faz parte do seu universo de experiência.

O fato de que o observador está modific­ando constantemente a sua posição - e por isso o seu ponto de vista - enquanto a luz está viajando entre a fonte, o espelho e o detector não faz de, nenhum modo, influi no movimento da luz. Exatamente porque o observador percebe que o relógio está movendo-se lateralmente não significa que a própria luz tem um verdadeiro compon­ente lateral ao seu movimento.

Isto significa que, do ponto de vista de qualquer um, considerando-se o movimento do relógio e do observador, a luz realmente viaja a uma distância 2x dentro do relógio, em um tempo t = 2x/c. A comunicação da informação ao observador sobre o tempo de partida e o tempo de chegada de um tic-tac de relógio é uma transação física inteiramente separada.

A luz usada para o relógio de luz e a luz usada para sinalizar ao observador tem a mesma fonte. Contudo a luz recebida pelo observador viaja em uma direção diferente da luz usada pelo relógio de luz. A luz dentro do relógio de luz não é observável pelo observador. Ele não tem nenhuma noção da existência ou viagem desta luz. Ele é fundamentalmente incapaz de ter qualquer noção da existência ou viagem desta luz. Está fora do seu universo de experiência. Está fora do seu quadro de referência. Só a luz que viaja ao longo de trajetórias que intersectam a sua posição no espaço e tempo pode ser detectada e experimentada por ele. Ele não pode ter nenhum conhecimento ou conexão com a luz que viaja em outro lugar.

O Observador é Passivo

Um observador não tem nenhum modo de perceber a aproximação de um pulso de luz. Ele não tem nenhum modo de perceber quando o pulso deixou a sua fonte. Ele não tem nenhum modo de perceber a que distância o pulso viajou. Ele não tem nenhum modo de perceber a que velocidade o pulso está viajando em direção a ele. Ele só pode percebê-lo quando o pulso conseqüentemente "bate" nele. Mesmo assim, ele não tem nenhum modo de perceber a velocidade do seu impacto.

A única coisa que um observador pode experimentar como o resultado de um pulso de luz que chega é uma modificação forçada no campo de força elétrica ou magnética na sua imediação. E esta modificação no campo de força é, de fato, perpendicular (ângulo reto) à direção da qual a luz veio. Conseqüentemente, desde que o movimento da onda transversal da luz não implica nenhum movimento material na direção em que a onda está "viajando", a noção de que a onda tem uma velocidade "de impacto" com o observador é essencialmente sem sentido.

Um observador, por isso, não pode deduzir nada dentro do seu quadro de referência sobre a velocidade que a luz teve durante a sua viagem. Ele não teve nenhum controle ou influência na fonte da luz na hora em que a luz foi criada. Conseqüentemente, a luz que um observador recebe não tem nenhuma razão ou motivação para atar a sua velocidade de qualquer modo ao quadro de referência de um observador.

Isto reforça a noção de que o único quadro de referência dentro da qual a luz viaja na velocidade c é aquela da sua fonte.

Uma Visão Centrada na Fonte

Vamos voltar a considerar o observador que observa uma fonte de luz. Novamente, a fonte está afastando-se dele em uma fração significante da velocidade da luz. Como antes, no espaço livre sabemos que a velocidade é relativa. Conseqüentemente, não há problema se pensamos no observador como "estacionário" e a fonte de luz como "em movimento" ou se pensamos na fonte de luz como "estacionária" e o observador como "em movimento". Qualquer um desses dois pontos de vista que escolhermos não deve fazer, em princípio, nenhuma diferença no caminho das viagens da luz entre a sua fonte e o observador.

Agora, contudo, não podemos aceitar que a luz viajar com a velocidade c em todas os quadros de referência. Em vez disso, precisamos aceitar que a luz viaja com a velocidade c só dentro do quadro de referência da sua fonte. Se aceitarmos isto, então, para qualquer observador da fonte de luz esses dois pontos de vista serão como se segue.

1) Fonte de Luz em Movimento

O caso no qual a fonte de luz está em movi­mento é mostrado à direita. Um pulso de luz viaja da origem do quadro de referência da fonte onde foi emitido. Ele atravessa o esp­aço daquele ponto a onde o observador está localizado quando a luz alcança-o. Ele atrav­essa este espaço na velocidade c no tempo t. A distância em que ele viaja é, por isso, ct. Durante o tempo t, a fonte de luz "em movi­mento" viaja a uma distância vt a mais ao observador, onde v é a velocidade relativa entre o observador e a fonte de luz. No mom­­ento em que o pulso de luz alcança o observ­­ador, o observador vê que veio da posi­ção a onde a fonte de luz de fato então está.

Contudo, o observador verá, então, a fonte de luz como estava quando o pulso de luz a deixou. O observador verá a fonte de luz como ela apareceu t (unidades do tempo) no passado.

2) Observador em Movimento

À esquerda é mostrado a situação inversa onde consideramos a fonte de luz como "estacionária" e o observador para como "em movimento". Um pulso de luz é emitido pela fonte de luz. Ele viaja na velocidade c em direção ao observador. Enquanto o pulso de luz está viajando em direção ao observador, o observador está movendo-se sempre mais distante da fonte de luz na velocidade v. Assim que o pulso de luz alcança o observ­ador, ele foi viajar a uma distância vt mais distante da fonte de luz. Durante este mesmo montante de tempo t, o pulso de luz viajou a uma distância ct.

Assim, nesta situação, a distância entre a realidade da fonte de luz e o observador é novamente ct. O observador novamente percebe a fonte de luz estar "agora" aonde ela realmente está "agora", embora ele a veja como se estivesse em um montante do tempo t no passado.

Então deste modo de examinar o processo, os dois pontos de vista acima são idênticos. Não há nenhum paradoxo. Esta visão centrada na fonte também evita o paradoxo do relógio de luz "perpendicular", onde o período do relógio seria diferente, segundo o qual é considerado como "estacionário": o observador ou o relógio.

Isto leva-nos a considerar a luz simplesmente como a parte da sua fonte. Uma fonte de luz é uma estrutura microscópica de energia capturada. Quando ela emite a luz, a fonte dispersa a parte da sua essência no resto do universo como uma perturbação eletromagnética que diverge. A velocidade com a qual esta perturbação viaja, por isso, deve ser relativa à sua fonte.

Isto sugere que a luz deva ser, essencialmente, uma extensão que se dispersa da sua fonte. Antes de que a luz seja emitida, a sua energia é uma parte daquela que é mantida prisoneira dentro da estrutura da sua fonte. Depois que a luz é emitida, a sua energia é lançada no universo como uma perturbação em constante expansão. O montante da energia nesta perturbação é o montante da energia lançada pela fonte. Disto, pareceria razoável supor que a quantidade da energia lançada pela fonte, em qualquer dada transação de emissão, seria determinada apenas pela natureza, estrutura e mecanismo da sua fonte microscópica.

Embora a visão centrada na fonte parece funcionar para a luz, não é consistente com qualquer visão de outros fenômenos observáveis, como a gravidade. Não obstante, há outra maneira de construir uma visão de luz centrada no observador, o que é consistente com uma visão complementar da gravidade.

A Visão Etérea

Nos meus sete ensaios sobre o Universo, gradualmente construí uma visão centrada no observador, com base na noção de que o universo é feito de um fluido de veloci­dade totalmente permeável, que eu me refiro como o éter. Eu chamo isto um fluido de velocidade, porque pode existir somente enquanto está viajando à velocidade da luz. Além disto, ele manifesta-se somente para objetos, que estão em aceleração. Não interage de forma alguma com objetos, que estão viajando a velocidade relativa constante. Ele flui de forma convergente à velocidade da luz, em sumidouros nano­scópicos nos centros de todos os constituintes fundamentais da matéria.

Nesta visão, que é explicada em detalhas no meu ensaio intitulado Eventos e Ondas, uma fonte de luz simplesmente grava tensões eletromagnéticas no influxo etéreo do observador. O éter de passagem flui radialmente para dentro em direção ao observador à velocidade da luz, carregando as gravuras eletromagnéticas com ele. Nesta visão também, os relógios de luz comportam-se consistentemente como na vista acima, centrada na fonte.


© 13 setembro 2006 Robert John Morton | ANTE | PROX