A Natureza de Luz: Para Medir a Velocidade da Luz

A distância evidente viajou e tempo tomado por luz a partir de uma fonte a um observador diferencia-se segundo se vemos ele do ponto de vista da fonte ou daquele do observador. [English] [PDF].

Base da Velocidade de Luz

A velocidade da luz no espaço livre é normalmente representada pela letra c. É entendido para ser uma quantidade invariável. Em outras palavras ela é uma constante natural, que é incorporada no tecido fundamental do universo. Por que a velocidade da luz deve ter este valor finito fixo? Por que não deveria a velocidade da luz ser o infinito? É porque a luz é uma perturbação eletromagnética, e o espaço tem uma relutância natural a ser disturbado de maneira eletromagnética.

Conseqüentemente, quando um campo elétrico é aplicado em um determinado lugar, o espaço imediato em volta dele leva tempo para polarizar-se. Ele tem uma espécie de inércia elétrica que resiste o esforço do campo elétrico para polarizá-lo. O espaço circundante retarda-se cada vez mais atrás, na adoção de um novo grau de polarização, o mais longe está o lugar onde o campo elétrico está aplicado. A adoção de um novo estado polarizado, por isso, "viaja" para fora esfericamente do lugar onde o campo elétrico está aplicado. Devido ao valor quantitativo natural da relutância de espaço para polarizar-se, a velocidade desta "viagem" (ou propagação) é c, a velocidade da luz.

Suponha que o campo elétrico aplicado começa com magnitude zero. Em outras palavras, ele não existe ainda. Então ele começa a crescer. Cresce lentamente no início. Então a sua tarifa do crescimento gradualmente aumenta a um máximo. A sua tarifa do crescimento então reduz, atingindo zero novamente como a força do campo atinge o seu máximo. Então o campo começa a decair (reduzem). A sua tarifa da decadência está lenta no início, acelera e logo decai ao zero de novo, como a força do campo elétrico atinge o zero novamente. Este processo forma um pulso de campo elétrico.

Uma propriedade complementar do espaço é que a taxa de mudança de um campo elétrico manifesta-se como a magnitude do que, geralmente, é conhecido como campo magnético. O espaço não polariza magneticamente como eletricamente. Um campo magnético não tem "extremidades" ou pólos como um campo elétrico. Em vez disso, ele atua em um sentido circular, adotando algo que talvez seja melhor conceituado como um tipo de inércia rotacional. Isto resulta em uma situação, em que, à medida que o campo elétrico está crescendo ou entrando em colapso, mais rapidamente, o campo magnético associado torna-se mais forte. Por outro lado, à medida que o campo magnético está mudando (crescendo ou colapsando), mais rapidamente o campo elétrico torna-se mais forte.

O resultado é que os campos elétricos e magnéticos trocam energia repetidamente, assim como o peso de um pêndulo, troca continuamente sua energia potencial (devido à sua altura) com sua energia cinética (devido à sua velocidade). O resultado é que esses dois tipos de "campos de força" afastam-se de sua fonte como uma esfera em constante expansão, fazendo um jogo de "jogar e pegar" com sua energia. Esta energia torna-se cada vez mais espalhada pela área de uma superfície esférica cada vez maior. A frequência com que os campos elétricos e magnéticos trocam energia é a freqüência do distúrbio eletromagnético.

O importante a notar nessa descrição bastante simplificada da propagação eletro­magnética no espaço livre é que a onda eletromagnética efetiva se propaga esfér­icamente a esta velocidade fundamental c longe de sua fonte.

Não obstante, um observador não tem como sentir a aproximação de um pulso de luz. O observador não tem como detectar quando o pulso sai da sua fonte. O observador não tem como saber a distância o pulso viajou, a partir da sua fonte ao observador. O observador não tem como saber quanto tempo o pulso levou para completar naquela viagem. O observador, portanto, não tem como saber a velocidade com qual o pulso está viajando na direção dele. O observador somente pode sentir quando eventual­mente o pulso o atinge. Mesmo assim, o observador não tem como sentir a velocidade de impacto do pulso de luz.

Uma Viagem de Ida e Volta é Necessária

Para adquirir alguma idéia de como a luz "rápida" viaja, um observador deve usar o princípio do radar. Ele deve criar uma fonte de luz que possa controlar. Ele deve ter um relógio para medir o tempo. O observador deve ter um objeto distante (idealmente um espelho) que possa refletir a luz emitida pela fonte. Ele deve ter um meio de detectar a luz refletida a partir do objeto distante. Ele pode usar seus olhos, é claro. No entanto, um detector eletrônico irá ajudá-lo a fazer uma medida mais precisa. Ele deve saber com precisão a distância x do objeto distante dele. A fonte de luz deve ser conectada para que ele inicie automaticamente o relógio quando ela emite um pulso de luz. O detector de luz deve ser conectado para que ele pare o relógio imediatamente ele detecta a chegada do pulso de luz refletido a partir do objeto distante.

O observador desencadeia sua fonte de luz para emitir um curto pulso de luz. Ao mesmo tempo, a fonte de luz inicia o relógio. O pulso de luz viaja para o objeto distante (espelho). O espelho reflete o pulso de luz de volta para o observador. O detector de luz do observador detecta a chegada do pulso de luz retornando e imediatamente pára o relógio. O relógio revela a montante de tempo que o pulso de luz levou para percorrer a distância 2x para o objeto distante e vice-versa. A velocidade da luz é assim revelada como c = 2x/t.

Isto é simplesmente uma experimentação ilustrativa. Hoje em dia, técnicas e aparelhos muito mais refinados são usados para fornecer medidas mais precisas da velocidade da luz.

Quadros de Referência

Propus na minha redação anterior que o quadro de referência relativo no qual a luz viaja à sua velocidade universal c seja exclusivamente o da sua fonte. Então, o que acontece neste caso quando a luz está refletida de volta para a fonte original? Em cujo quadro de referência é esta luz que viaja na velocidade universal c? Não é o do observador, o qual é também o da fonte original? Qual seria o caso se o objeto distante (o espelho) estivesse afastando-se da fonte (observador) em uma velocidade v que fosse uma fração significativa da velocidade da luz?

Deixe-me sugerir o seguinte. Quando a luz é refletida a partir de um objeto tal como um espelho, o processo não é o mesmo que a de uma bola saltando para trás de uma parede. A luz original não é refletida de volta. Em vez disso, a luz original é absorvida pelos átomos do material do qual o espelho é feito. Estes átomos então usam essa energia para gerar nova luz. Em outras palavras, um espelho é ele próprio uma fonte de luz separada que é "alimentada" pela energia da luz incidente. Isso é consistente com a observação de que um objeto raramente reflete a mesma cor da luz que recebe. Ele irradia uma cor que é característico do material do qual é feito.

Se for esse o caso, o pulso de luz de saída está viajando à velocidade c em relação ao quadro de referência de fonte (observador) e o pulso de luz de retorno está viajando à velocidade c em relação ao quadro de referência do objeto distante (o espelho). Esta situação está ilustrada abaixo.

Quando o pulso de luz é emitido pela fonte, o espelho está a uma distância x. O pulso da luz viaja para o espelho. Viaja à velocidade c em relação ao quadro de referência da fonte. Quando o pulso de luz atinge o espelho, o espelho percorreu uma distância adicional de ½vt de distância da fonte. A distância total percorrida pela luz na viagem de saída é, portanto, x + ½vt. O espelho absorve a energia do pulso da luz e usa esta energia para gerar outro pulso de luz. Este novo pulso de luz viaja na direção do observador. Ele faz isto na velocidade c em relação ao quadro de referência do espelho. No momento em que o novo pulso de luz atinge o observador, o observador já viajou ainda mais uma distância de ½vt longe do espelho. O pulso de luz retornando, portanto, percorre uma distância x + vt. A distância total de ida e volta percorrida pelos impulsos de luz é, portanto, 2x + 1,5vt. A distância x é, portanto, dada por x = ½(c − 1,5v)t.

Quando o pulso de luz retornando chegar ao observador, ele aparecerá para ele ter se originado de onde o espelho está nesse instante. O espelho parecerá estar a uma distância d dada pela fórmula:

d = x + vt = ½(c − 1.5v)t + vt = (½c + ¼v)t;

onde t é a montante de tempo que decorridou desde que a fonte de luz do observador emitiu o pulso de luz original e v é a velocidade relativa na qual o observador e o espelho estão recuando um do outro. Esse raciocínio exige que a "velocidade" com o qual o pulso de luz aproxima-se de um observador quem está recuando é necessaria­mente c − v e para um observador quem está se aproximando, c + v. No entanto, isto não significa que qualquer coisa viaje materialmente mais rápido do que a luz. Isto também não significa que a informação está viajando mais rápido do que a luz.

Novamente, embora esta visão centrada em fontes duplas funcione, não é - como mencionado no redação anterior - consistente com qualquer visão de fenômenos gravitacionais. Não obstante, se a Visão Etherial centrada no observador for aplicada ao experimento de pensamento acima, o raciocínio matemático é essencialmente o mesmo. E é consistente com um meio de explicar a gravidade.


© 17 outubro 2006 Robert John Morton | ANTE | PROX