A Natureza da Luz: O Axioma Principal

Isso afirma que as Leis da Física devem ser as mesmas, dos pontos de vista de todos os observadores, em todos os quadros de referência. A partir disso, muitos erroneamente concluem que a velocidade da luz deve aparecer a mesma para qualquer observador em todos os quadros de referência. [English] [PDF]

A ciência, como qualquer outra coisa, deve ser construída sobre uma base. O fundamento em que a ciência é construída é uma crença inicial que é tão fundamental que não pode ser investigada ou comprovada. Baseia-se necessariamente na melhor observação coletiva e intuição dos cientistas através da história. A observação coletiva básica na ciência é que os efeitos são invariavelmente e consistentemente relacionados às causas. A intuição coletiva básica é que essas relações são leis invariáveis imutáveis, que são a essência fundamental do universo.

Todos os cientistas em todos os lugares sempre observaram que essas leis eram as mesmas. Então, essa crença, que é o fundamento da ciência, é a seguinte:

As Leis da Física são exatamente as mesmas dos pontos de vista de todos os observadores em todos os momentos, em todos os lugares e em todos os quadros de referência.

Isto é o que eu (e talvez outros, eu não sei) chamam o Axioma Principal. É o Ato da Fé em que toda a ciência se baseia.

As Leis da Física relacionam-se a maneira no que um tipo de quantidade observável é constrangido para variar somente de acordo com as mudanças em outros tipos específicos de quantidades observáveis. Por exemplo, como a força aparente entre duas massas varia de acordo com as quantidades da massa e da distância entre elas. Escrito em uma forma de taquigrafia chamada matemática, essa relação é F & (M1M2)/r2. O símbolo & aqui significa "é proporcional a".

Essa relação de proporcionalidade implica que existe uma certa quantidade constante que define a relação. Assim, o & pode ser substituído por um sinal = e multiplicando o resultado por uma quantidade constante, que, neste caso, por convenção, é chamada de G. Assim, a Lei de Newton a respeito de atração gravitacional pode ser escrita definitivamente como F = G(M1M2)/r2. Mas G não é uma constante arbitrária inventada pelos cientistas. O seu valor ou quantidade é uma propriedade invariável intrínseca imutável do universo.

Cada uma das muitas Leis da Física incorpora uma ou mais constantes naturais tal como G. As leis que definem o modo como as ondas eletromagnéticas (da qual a luz é de um tipo) se propagam através do espaço incorporam duas constantes naturais que, por convenção, são representadas pela símbolos ε0 e μ0. Os valores dessas constantes foram determinados consistentemente por experimentos de laboratório padrão estabelecidas.

Para que o Axioma Principal seja mantido, ε0 e μ0 devem ter os mesmos valores quando medidos por qualquer cientista a qualquer hora, em qualquer lugar e em qualquer quadro de referência. Quando duas constantes naturais imutáveis são multiplicadas, o resultado é obrigado, pela lei natural, a ser outra constante natural imutável. A raiz quadrada do produto dos reciprocais dessas duas constantes naturais é a velocidade da luz, que é, por convenção, representada pelo símbolo c. Conseqüentemente, para que o Axioma Principal seja mantido, a velocidade da luz, c, deve ter o mesmo valor para qualquer observador a qualquer momento, em qualquer lugar e em qualquer quadro de referência.

É por esta razão que o comportamento interno do relógio de luz deve ser diferente no quadro de referência de um observador ao qual o relógio de luz tem uma velocidade relativa, v, que é uma fração significativa da velocidade da luz. Essa diferença de comportamento manifesta-se como uma dilatação do tempo, t0 / t, entre os dois quadros de referência.

Não obstante, essa suposição choca com a forma como um relógio mecânico comportaria-se. O tempo só parece estar dilatado para a passagem da luz. Não há motivos para supor que o tempo seja dilatado para uma roda giratória rotativa ou um pendulo balançando.

Eu me vejo perturbado pelo que vejo aqui como uma falha conceitual na interpretação estabelecida do Axioma Principal. Conseqüentemente, encontro-me preso por uma irresistível obrigação de investigar.

A Natureza do Espaço e Tempo

Imagino o espaço como vazio. Não obstante, eu intuitivamente vejo que ele tem 3 dimensões. Eu especulo, portanto, que o espaço verdadeiramente vazio não é feito de "nada". Se assim o fosse, não teria dimensões e, portanto, não poderia conter nada. Mas o espaço contém coisas. Consequentemente, além de ter dimensões, também deve incorporar todas as leis da física necessárias para facilitar a formação e operação de tudo o que existe dentro dele.

Como um ser consciente, percebo a passagem de algo que as pessoas se referem como tempo. Meu processo de pensamento só pode ocorrer através ou dentro do tempo. O tempo passa para o que me parece ser uma taxa constante. Além disso, ele passa a essa velocidade se eu estou ou não viajando pelo espaço a qualquer velocidade particular em relação a qualquer outra coisa. Eu percebo o tempo para passar em qualquer dimensão espacial em que eu mude. Eu, portanto, vejo o tempo como independente do espaço.

Minha concepção do tempo provavelmente está relacionada à taxa em que os processos ocorrem no meu cérebro. Unidades artificiais de tempo, tal como horas, minutos e segundos, só têm significado na medida em que eu posso medí-las em termos da minha percepção consciente da passagem do tempo.

O Meu Quadro de Referência

O tempo eo espaço, portanto, parecem ser aspectos de um recipiente universal que fornece meios de facilitar minha existência. Posso mover mim mesmo pelo espaço ou, alternativamente, posso ser movido pelo espaço por algum agente externo. Não tenho nenhuma opção sobre se eu ou não passar pelo tempo. O tempo avança independ­entemente. Nenhum poder pode parar o tempo ou mesmo influenciar a sua taxa de passagem.

Este recipiente universal de tempo e espaço, sobre o qual minha percepção consciente preside, é o que é conhecido como o meu horizonte de eventos. O meu ser consciente reside no centro. Enquanto olho para fora, olho para frente no espaço e, por conseqüência, também para trás no tempo. É o pano de fundo, que fornece o contraste contra o qual eu sou capaz de perceber todas as coisas. É o meu critério - meu quadro de referência pessoal - contra o qual somente eu posso comparar todas as coisas.

Então, estou ciente do espaço e do tempo e percebo que eu, como observador consciente, estou necessariamente ligado a um marco de referência único no espaço e no tempo. Este quadro de referência é o meu horizonte de eventos passado e minha consciência habita um ponto-singularidade, que é o ponto mais antigo dentro dele. A partir deste ponto de vista, eu posso observar o que pode existir no meu horizonte de eventos passado.

Não obstante, para observar qualquer coisa, minha consciência deve ser providenciada com algum tipo de canal de comunicação, que o vincula ao domínio físico do espaço e do tempo. Esse canal é minha mente, que opera dentro do meu cérebro, que é acomodado e sustentado pelo meu corpo. No espaço, meu corpo precisa de algum tipo de ambiente de apoio à vida, como a Terra ou, pelo menos, um traje espacial. E tudo isso constitui um objeto. Portanto, um observador é necessariamente um objeto no espaço e no tempo.

Até agora, ainda não introduzi a noção de luz no meu quadro de referência. Conseqüentemente, há apenas um meio pelo qual eu posso saber se existe ou não algo além de mim. Este meio é uma força externa aplicada no meu corpo. Uma força externa deve ser aplicada em algum ponto da superfície do meu corpo. A substância do meu corpo está relutante em ser movida por essa força externa. Essa relutância é uma propriedade de objetos chamados de inércia. Isso resulta em meu corpo reagir contra a força externa aplicada com uma força igual e oposta.

Para que meu corpo reaja contra a força externa no ponto em que é aplicado, todas as forças reacionárias contributivas, de todos os pontos do meu corpo, devem ser transmitidas para esse único ponto. Meus sentidos podem detectar a transmissão dessas forças reacionárias contributivas em toda a estrutura do meu corpo. Por esse meio, tomo consciência da força externa que está sendo aplicada. Não obstante, não posso, ao experimentar uma força aplicada externamente, tomar consciência da existência de outros objetos como eu que possam coexistir comigo no espaço.

Para que eu me torne um observador, deve haver pelo menos dois objetos no meu quadro de refer­ência: 1) eu, o observador, e 2) o objeto que estou observando. Eu me represento, o observador e o objeto que estou observando, por duas esferas, como mostrado à direita. Por conveniência, cada esfera deve ser considerada estacionária dentro do quadro de referência do outro. Então, uma vez que ambos têm massa, as duas esferas necessaria­mente orbitam umas às outras em torno de um centro comum.

No entanto, como um observador quem está, até agora, ainda cego, não posso ter nenhuma noção de se estou em órbita em torno de outra massa ou se estou verdadeiramente sozinho no espaço livre. Não há nenhum mecanismo pelo qual eu possa obter informações sobre o qual é o caso.

Além disso, se o outro objeto de repente deixasse de existir, eu não teria meios de saber que isso aconteceu. É verdade que haveria uma mudança extremamente pequena no gradiente de gravidade em linha com o objeto desaparecido. No entanto, qualquer vara de medição que eu gostaria de usar para tentar detectar essa mudança sofreria o mesmo alongamento que qualquer coisa o que eu possa tentar medir com ela. Conseqüentemente, a mudança seria fundamentalmente indetectável.

Quando um objeto a certa distância de mim desaparece, é algum tempo antes que a influência gravitacional do objeto sobre mim cesse. Isto é o tempo que a mudança no fluxo gravitacional precisa para viajar - como uma onda à velocidade da luz - da localização do objeto desaparecido, para mim. Por que não há fundamentalmente nenhum mecanismo pelo qual eu poderia detectar essa mudança de fluxo, é evidente que uma assim-chamada onda de gravidade não pode transmitir informações.

Não obstante, sem luz, não consigo conscientizar se estou ou não em movimento em relação a outros objetos, ou mesmo que outros objetos existem.

Que Haja Luz

Com a existência da luz, percebo que outras coisas, que são independentes do meu eu consciente, existem junto comigo neste recipiente universal de tempo e espaço. Então eu estou ciente de que compartilho espaço com outros objetos.

Ao observar, percebo que estou de alguma forma recebendo informações sobre a posição, o movimento, o tamanho e a natureza do que estou observando. Eu, port­anto, deduz que algo deve me transmitir essas informações dos objetos que estou observando. No entanto, não consigo ver o que é que me traz essa informação. Só posso ver o que ele entrega. Este mensageiro enigmático é o que conhecemos como luz.

Classicamente, assumiu-se que a luz deve viajar como um distúrbio progressivo dentro de um meio fluido de uma maneira semelhante à forma como as ondas sonoras viajam pelo ar. Eles chamaram esse meio do éter luminífero. Isto formaria necess­ariamente um quadro de referência universal fixo ao qual a velocidade da luz deve ser ligada. Todos os corpos celestes moveriam-se em relação a este éter. Em conseqüência, a velocidade em que a luz viajou entre objetos celestes variaria de acordo com a velocidade e direção dos objetos.

Além disso, o movimento de todos os corpos celestes através do éter produzia ondas de proa e de arrasto - assim como um navio faz quando o viaja através o oceano. A observação experimental, no entanto, mostrou que a velocidade da luz não variou com direção e que parecia ser independente do movimento relativo entre suas fontes e observadores. A partir disso, foi razoável deduzir que o éter luminífero não existe. Sendo assim, o espaço deve estar essencialmente vazio. Não deve conter nenhum meio transmissivo para a luz. A luz deve, portanto, viajar através de nada.

Um objeto material, como uma pedra ou um planeta, não precisa de um meio no qual viajar. Sua existência é independente de qualquer meio. Talvez a luz também tenha essa propriedade. Não é simplesmente uma zona viajando de estresse dentro de um meio. Pode viajar sozinho através do espaço vazio porque existe por direito próprio como faz um objeto material.

Ao contrário de um objeto material, a luz só pode existir como energia de viagem. Viaja ostensivamente como uma esfera de energia em constante expansão. À medida que viaja, esta energia torna-se cada vez mais distribuída. A sua densidade de energia parece estar em queda livre. À medida que viaja, sua energia distribui-se sobre uma concha esférica em expansão, cuja área cresce a uma taxa de aceleração.

A luz parece estar composta de campos de força elétricos e magnéticos interativos, que, ao contrário de um objeto material, não possuem massa. Os campos de força no espaço devem, portanto, ser uma forma de material sem massa. Eles parecem não ter substância, mas eles existem por direito próprio, independentemente de qualquer meio.

Um pulso de radiação eletromagnética deve, portanto, ser um objeto material sem massa cuja natureza o constrange a estar em constante expansão de seu ponto de origem até o infinito. Parece ter uma missão ou motivo inerente para espalhar a sua energia o mais rápido possível dentro dos limites de uma concha esférica em exp­ansão. Mas não pode espalhar a sua energia instantaneamente.

Inércia Eletromagnética

Novamente, como um objeto material, a radiação eletromagnética - embora não tenha massa - ainda parece ter inércia. A inércia de um pulso eletromagnético parece ter dois aspectos complementares. São as duas constantes universais conhecidas como permitividade elétrica e a permeabilidade magnetica no espaço livre. Por convenção, eles são representados pelos símbolos ε0 e μ0.

Os pequenos sufixos zero indicam que são os valores em espaço livre ou vácuo, em que nenhuma substância material de qualquer tipo está presente. Muitas substâncias materiais possuem valores de ε e μ que são superiores a ε0 e μ0. Mas o fato de que ainda possuem valores finitos no vácuo verifica que eles são propriedades fundamentais dos próprios campos elétricos e magnéticos.

Existem experimentos de laboratório elétricas e magneticas rigorosas que podem ser realizadas "no banco" para determinar os valores de ε0 e μ0. Os valores atualmente aceitos dessas duas constantes naturais, produzidos por tais experimentos, são os seguintes.

ε0 = 8·85418782 × 10-12 de dimensões L-3 T 4 M-1 I 2
μ0 = 1·25663706 × 10-6 de dimensões L T-2 M I-2

in which

L = unidades de comprimento (metros)
T = unidades de tempo (segundos)
M = unidades de massa (quilogramas)
I = unidades de corrente elétrica (amperes)

Eu acho que as dimensões horrivelmente complicadas dessas duas constantes universais são muito difíceis de conceituar. No entanto, quando ε0 e μ0 são multiplicados em conjunto, as dimensões da constante única resultante cancelam para T2 L-2. Isto é: segundos quadrados por metro por metro. Mas, embora seja mais simples, isso também não é fácil de conceituar.

ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre. A permeabilidade é concebida a partir da noção de permissão. Talvez tenha sido visto dessa maneira porque os experiment­adores e teóricos quem a descobriram que viviam em sociedades que eram govern­adas por regimes que governavam por concedendo permissões. Em outras palavras, um sujeito do estado não podia fazer nada a menos que ele tivesse recebido permissão especifica para fazê-lo. A permissão deve ser adquirido antes da ação.

Mas suponha, em vez disso, consideramos a inércia eletromagnética do ponto de vista do governo por proibição. O cidadão é livre para fazer o que quiser, a menos que esse tipo específico de ato seja proibido. Então, em vez de considerar a medida em que a natureza permite a formação de um campo elétrico ou magnético, consideramos o quanto isso impede a formação de tais. A impedância vem após a ação, o que é consistente com a noção de que a causa deve vir antes do efeito.

Em outras palavras, suponha que consideremos os reciprocais de ε0 e μ0. Multiplicar esses reciprocais juntos produz uma constante universal que tem as dimensões: metros quadrados por segundo por segundo. Ou seja, uma área acelerada. Ele retrata algo que está aumentando na área a uma taxa cada vez maior. Isso está dentro do campo da imaginação. Mas o que é isso? Existe alguma coisa familiar para a física que exiba esse tipo de comportamento?

Caindo para o infinito

Há uma pista de que o efeito do distúrbio original contém uma quantidade fixa de energia, que se espalha para fora através do espaço como uma concha esférica em constante expansão. Isso sugere que a energia é de tal natureza que deseja espalhar-se o mesmo que possível em todo o universo, mas que a inércia eletromagnética impede o progresso deste processo sem atrito. Assim, a quantidade constante de energia E do distúrbio, tal como está dispersando, é espalhada na área superficial A de uma concha esférica sempre em expanção†.

†Em contrapartida, minha visão posterior é que a informação transmitida por ondas chega a um observador como distúrbios ou gravuras dentro de um éter convergente, que eu vejo como o tecido do tempo. Por favor, veja meu ensaio intitulado Eventos e Ondas.

Imagine um balão que é parcialmente inflado. Tem uma região quadrada, de uma cor diferente, marcada em parte da sua superfície. Está sendo inflado de tal forma que seu raio está aumentando a uma taxa constante. A região quadrada em sua superfície aumentará na área a uma taxa acelerada. Em outras palavras, o tamanho do quadrado será observado para aumentar a uma taxa de aceleração de X milímetros quadrados por segundo por segundo.

A área de um invólucro esférico é 4πr2. Assim, a taxa de mudança da área do invólucro é o diferencial A' (hoje em dia geralmente escrito como dA/dt) de sua área em relação ao tempo. Diferenciando, A' = 8πrr'.

Permita-me fazer uma aposta e especular que r' (a taxa de aum­ento do raio do invólucro esférico) é constante. Em outras pala­vras, o raio da esfera aumenta a uma taxa constante, c. Assim, r' = c. Assim, a taxa de aumento na área do invólucro, A' = 8πcr. Mas a taxa A', na qual a área A está mudando, ainda depende do tamanho do invólucro no momento. Então, vamos diferenciá-lo novamente. A taxa de mudança da taxa de mudança da área A" = 8πcr', que, uma vez que r' = c, é 8πc2. Esta é a taxa na qual a área do invólucro esférico está acelerando, o que é constante se r' ser constante.

É como se a densidade de energia plana (joules por metro quadrado) do distúrbio, dentro do invólucro esférico, esteja diminuindo de maneira análoga ao modo como um objeto cai sob a influência da gravidade. Em outras palavras, sua taxa de queda acelera. Assim, enquanto os objetos materiais podem ser considerados como energia presa (ou mantida), um estouro de energia eletromagnética pode ser considerado como energia livre (ou em queda). Mas ambos devem necessariamente ser objetos no espaço vazio.


Qualquer emissão de energia eletromagnética sempre deve sua existência a um objeto material. Nasce como um evento - como uma mudança do estado de um átomo ou a aceleração de um elétron dentro de uma rede metálica - ocorrendo dentro de um objeto material. Por conseguinte, um pulso de radiação eletromagnética pode ser justificadamente consider­ado uma parte material do que o deu à luz.

Assim, se um pulso eletromagnético existe por direito próprio, independentemente de qualquer éter lumífero, e se fosse emitido por um objeto material, a origem do seu progresso através do espaço vazio deve ocorrer necessariamente dentro do quadro de referência de sua fonte. O que emitiu o pulso deve permanecer para sempre a origem do quadro de referência dentro do qual se expande. E o raio de seu invólucro esférico se estende continuamente à velocidade c, que é efetivamente determinado pelas constantes universais de inércia elétrica e magnética.

O Terráqueo e O Alienígena

Eu sou um terráqueo. Eu sou um experimentador. Tenho um laboratório aqui no Planeta Terra. Eu configurei experimentos no meu laboratório para medir ε0 e μ0. Obtenho os seguintes resultados.

ε0 = 8·85418782 × 10-12 de dimensões L-3 T 4 M-1 I 2
μ0 = 1·25663706 × 10-6 de dimensões L T-2 M I-2

Eu tenho um amigo. Ele é um alienígena. Ele mora em outro planeta muito distante. Ele também é um experimentador. O planeta dele está viajando com uma velocidade relativa v - que é uma fração considerável da velocidade da luz - em relação à Terra. O meu amigo alienígena também tem um laboratório localizado em seu planeta. Ele estabelece experimentos em seu laboratório para medir ε0 e μ0. Ele obtém os seguintes resultados.

ε0 = 8·85418782 × 10-12 de dimensões L-3 T 4 M-1 I 2
μ0 = 1·25663706 × 10-6 de dimensões L T-2 M I-2

Os resultados dele são os mesmos que os meus. As Leis da Física são observadas ser as mesmas para nós dois. Assim, o Axioma Principal [que as Leis da Física são iguais do ponto de vista de qualquer observador em qualquer lugar a qualquer momento] é confirmado. Cada um de nós realizamos um outro experimento para verificar diretamente a velocidade da luz. Cada um de nós obteve o mesmo resultado de 299.792.458 metros por segundo. Novamente, o Axioma Principal é mantido.

Agora suponha que eu tenha um link de telemetria hipotético através do qual eu possa assistir os experimentos do meu amigo alienígena sendo realizados. Será que eu vou ver, através deste link, os mesmos resultados dos seus experimentos que ele vê? Não necessariamente.

O meu hipotético link de telemetria, por mais perfeito que seja, é restrito na sua capacidade de transmitir informações. Não pode transmitir informações de forma mais rápida do que a velocidade da luz. O meu amigo alienígena está movendo-se em relação a mim em uma fração considerável dessa velocidade. E os experimentos dele são projetados para medir coisas que envolvem a velocidade da luz. Por exemplo, se eu medi o tempo da passagem da luz através de seu experimento Michaelson-Morley para medir a velocidade da luz, eu vou obter alguns resultados estranhos, como mostram as experiências do relógio de luz no artigo anterior.

Se o meu amigo alienígena faz a sua medição e depois transmite os seus resultados através do link de telemetria para mim em forma digital, Eu podia ver os mesmos resultados que ele vê. Mas isto é uma representação simbólica dos resultados dele, não as minhas observações diretas dos resultados dele através do espaço. Mesmo assim, para que a informação seja transmitida digitalmente, ele e eu devemos usar a mesma convenção de codificação pré-estabelecida.

Conseqüentemente, o valor de c que o experimento do meu amigo alienígena me revela é improvável que seja o mesmo que ele revela a ele. Assim, as constantes naturais universais aparecem para cada um de nós ser o mesmo dentro de nossos respectivos quadros de referência, mas diferentes dentro do quadro de referência de qualquer outro observador.

No entanto, desde que os valores que vejo dos experimentos do meu amigo alien­ígena são os mesmos que os valores que ele vê das minhas experimentos, o Axioma Principal é mantido. As Leis da Física exibem exatamente o mesmo comportamento de ambos os nossos pontos de vista. Conseqüentemente, a noção de que a velocidade da luz está ligada ao quadro de referência de sua fonte não viola o Axioma Principal.


© 19 maio à 09 julho 2013 Robert John Morton | ANTE | PROX