A velocidade da luz é o limite de velocidade do universo.

A velocidade da luz é um limite de velocidade para tudo em nosso universo. Crédito da imagem: Getty/Yuichiro Chino

A velocidade da luz viajando no vácuo é exatamente 299.792.458 metros (983.571.056 pés) por segundo. Isso é cerca de 186.282 milhas por segundo, uma constante universal conhecida nas equações como "c", ou velocidade da luz. 

De acordo com a teoria da relatividade especial do físico Albert Einstein, na qual se baseia grande parte da física moderna, nada no universo pode viajar mais rápido que a luz. A teoria afirma que, à medida que a matéria se aproxima da velocidade da luz, a massa da matéria se torna infinita. Isso significa que a velocidade da luz funciona como um limite de velocidade em todo o universo. A velocidade da luz é tão imutável que, de acordo com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos, é usada para definir medidas de padrão internacional como o metro (e, por extensão, a milha, o pé e a polegada). Através de algumas equações engenhosas, também ajuda a definir o quilograma e a unidade de temperatura Kelvin.

Mas, apesar da reputação da velocidade da luz como uma constante universal, cientistas e escritores de ficção científica gastam tempo contemplando viagens mais rápidas que a luz. Até agora, ninguém foi capaz de demonstrar um impulso de dobra real, mas isso não diminuiu nossa velocidade coletiva em direção a novas histórias, novas invenções e novos domínios da física.

O QUE É UM ANO-LUZ?

Um ano-luz é a distância que a luz pode percorrer em um ano, cerca de 10 trilhões de quilômetros. É uma maneira que os astrônomos e físicos medem distâncias imensas em nosso universo.

A luz viaja da lua para os nossos olhos em cerca de 1 segundo, o que significa que a lua está a cerca de 1 segundo-luz de distância. A luz do sol leva cerca de 8 minutos para chegar aos nossos olhos, então o sol está a cerca de 8 minutos-luz de distância. A luz de Alpha Centauri, que é o sistema estelar mais próximo do nosso, requer aproximadamente 4,3 anos para chegar aqui, então Alpha Centauri está a 4,3 anos-luz de distância.

"Para ter uma ideia do tamanho de um ano-luz, pegue a circunferência da Terra (24.900 milhas), coloque-a em uma linha reta, multiplique o comprimento da linha por 7,5 (a distância correspondente é um segundo-luz), em seguida, coloque 31,6 milhões de linhas semelhantes de ponta a ponta", diz o Glenn Research Center da NASA em seu site. "A distância resultante é de quase 6 trilhões 6.000.000.000.000 de milhas (ou seja 9,7 trilhões de quilômetros de comprimento!)"

Estrelas e outros objetos além do nosso sistema solar estão em qualquer lugar de alguns anos-luz a alguns bilhões de anos-luz de distância. E tudo que os astrônomos "veem" no universo distante é literalmente história. Quando os astrônomos estudam objetos distantes, eles estão vendo a luz que mostra os objetos como eles existiam no momento em que a luz os deixou. 

Esse princípio permite que os astrônomos vejam o universo como ele era depois do Big Bang, que ocorreu há cerca de 13,8 bilhões de anos. Objetos que estão a 10 bilhões de anos-luz de nós aparecem para os astrônomos como eram há 10 bilhões de anos, relativamente logo após o início do universo, e não como aparecem hoje.

COMO APRENDEMOS A VELOCIDADE DA LUZ?

Aristóteles, Empédocles, Galileu (ilustrado aqui), Ole Rømer e inúmeros outros filósofos e físicos da história contemplaram a velocidade da luz. Crédito da imagem: NASA

Já no século V, filósofos gregos como Empédocles e Aristóteles discordavam sobre a natureza da velocidade da luz. Empédocles propôs que a luz, seja lá do que for feita, deve viajar e, portanto, deve ter uma taxa de movimento. Aristóteles escreveu uma refutação da visão de Empédocles em seu próprio tratado, On Sense and the Sensible, argumentando que a luz, ao contrário do som e do cheiro, deve ser instantânea. Aristóteles estava errado, é claro, mas levaria centenas de anos para alguém provar isso. 

Em meados de 1600, o astrônomo italiano Galileu Galilei colocou duas pessoas em colinas a menos de um quilômetro e meio de distância. Cada pessoa segurava uma lanterna blindada. Um descobriu sua lanterna; quando a outra pessoa viu o flash, ele descobriu a dele também. Mas a distância experimental de Galileu não foi suficiente para que seus participantes registrassem a velocidade da luz. Ele só pôde concluir que a luz viajava pelo menos 10 vezes mais rápido que o som.

Na década de 1670, o astrônomo dinamarquês Ole Rømer tentou criar um cronograma confiável para os marinheiros no mar e, de acordo com a NASA, acidentalmente apresentou uma nova estimativa melhor para a velocidade da luz. Para criar um relógio astronômico, ele registrou o tempo preciso dos eclipses da lua de Júpiter, Io, da Terra. Com o tempo, Rømer observou que os eclipses de Io muitas vezes diferiam de seus cálculos. Ele notou que os eclipses pareciam demorar mais quando Júpiter e a Terra estavam se afastando uma da outra, apareceram antes do tempo quando os planetas estavam se aproximando e ocorreram dentro do cronograma quando os planetas estavam em seus pontos mais próximos ou mais distantes. Essa observação demonstrou o que hoje conhecemos como efeito Doppler, a mudança na frequência da luz ou do som emitido por um objeto em movimento que no mundo astronômico se manifesta como o chamado redshift, a mudança para "mais vermelho", comprimentos de onda mais longos em objetos em alta velocidade longe de nós. Em um salto de intuição, Rømer determinou que a luz estava levando um tempo mensurável para viajar de Io para a Terra. 

Rømer usou suas observações para estimar a velocidade da luz. Como o tamanho do sistema solar e a órbita da Terra ainda não eram conhecidos com precisão, argumentou um artigo de 1998 no American Journal of Physics, ele estava um pouco errado. Mas, finalmente, os cientistas tinham um número como referência. O cálculo de Rømer colocou a velocidade da luz em cerca de 124.000 milhas por segundo (200.000 km/s).

Em 1728, o físico inglês James Bradley baseou um novo conjunto de cálculos sobre a mudança na posição aparente das estrelas causada pelas viagens da Terra ao redor do Sol. Ele estimou a velocidade da luz em 185.000 milhas por segundo (301.000 km/s), com precisão de cerca de 1% do valor real, de acordo com a American Physical Society.

Duas novas tentativas em meados de 1800 trouxeram o problema de volta à Terra. O físico francês Hippolyte Fizeau colocou um feixe de luz em uma roda dentada que girava rapidamente, com um espelho a 8 km de distância para refleti-lo de volta à sua fonte. Variar a velocidade da roda permitiu a Fizeau calcular quanto tempo levou para a luz viajar para fora da fenda, para o espelho adjacente e voltar para a fenda. Outro físico francês, Leon Foucault, usou um espelho giratório em vez de uma roda para realizar essencialmente o mesmo experimento. Os dois métodos independentes chegaram a cerca de 1.000 milhas por segundo (1.609 km/s) da velocidade da luz.

Em 15 de agosto de 1930 em Santa Ana, CA, o Dr. Albert A. Michelson estava ao lado do tubo de vácuo de uma milha de comprimento que seria usado em sua última e mais precisa medição da velocidade da luz. Crédito da imagem: Getty/Bettman

Outro cientista que abordou o mistério da velocidade da luz foi o polonês Albert A. Michelson, que cresceu na Califórnia durante o período da corrida do ouro no estado e aprimorou seu interesse pela física enquanto frequentava a Academia Naval dos EUA, de acordo com a Universidade da Virgínia. Em 1879, ele tentou replicar o método de Foucault para determinar a velocidade da luz, mas Michelson aumentou a distância entre espelhos e usou espelhos e lentes de altíssima qualidade. O resultado de Michelson de 186.355 milhas por segundo (299.910 km/s) foi aceito como a medida mais precisa da velocidade da luz por 40 anos, até que Michelson a mediu novamente. Em sua segunda rodada de experimentos, Michelson lançou luzes entre dois topos de montanhas com distâncias cuidadosamente medidas para obter uma estimativa mais precisa. E em sua terceira tentativa pouco antes de sua morte em 1931, de acordo com a revista Air and Space do Smithsonian, ele construiu um tubo despressurizado de aço corrugado de uma milha de comprimento. O tubo simulava um quase vácuo que removeria qualquer efeito do ar na velocidade da luz para uma medição ainda mais precisa, que no final era apenas um pouco menor do que o valor aceito da velocidade da luz hoje.

Michelson também estudou a natureza da própria luz, escreveu o astrofísico Ethan Siegal no blog de ciências da Forbes, Starts With a Bang. As melhores mentes da física na época dos experimentos de Michelson estavam divididas: A luz era uma onda ou uma partícula? 

Michelson, junto com seu colega Edward Morley, trabalhou sob a suposição de que a luz se movia como uma onda, assim como o som. E assim como o som precisa de partículas para se mover, Michelson e Morley e outros físicos da época raciocinaram, a luz deve ter algum tipo de meio para se mover. Esse material invisível e indetectável foi chamado de "luminiferous aether" (também conhecido como "éter"). 

Embora Michelson e Morley construíssem um interferômetro sofisticado (uma versão muito básica do instrumento usado hoje nas instalações do LIGO), Michelson não conseguiu encontrar evidências de nenhum tipo de éter luminífero. A luz, ele determinou, pode viajar e viaja através do vácuo.

"O experimento, e o corpo de trabalho de Michelson, foi tão revolucionário que ele se tornou a única pessoa na história a ganhar um Prêmio Nobel por uma não descoberta muito precisa de qualquer coisa", escreveu Siegal. "O experimento em si pode ter sido um fracasso completo, mas o que aprendemos com ele foi um benefício maior para a humanidade e nossa compreensão do universo do que qualquer sucesso teria sido!"

RELATIVIDADE ESPECIAL E A VELOCIDADE DA LUZ

Albert Einstein no quadro-negro. Crédito da imagem: NASA

A teoria da relatividade especial de Einstein unificou energia, matéria e velocidade da luz em uma famosa equação: E = mc². A equação descreve a relação entre massa e energia, pequenas quantidades de massa (m) contêm, ou são compostas de, uma quantidade inerentemente enorme de energia (E). (É isso que torna as bombas nucleares tão poderosas: Elas estão convertendo massa em explosões de energia.) Como a energia é igual à massa vezes a velocidade da luz ao quadrado, a velocidade da luz serve como um fator de conversão, explicando exatamente quanta energia deve ser dentro da matéria. E porque a velocidade da luz é um número tão grande, mesmo pequenas quantidades de massa devem equivaler a grandes quantidades de energia.

Para descrever com precisão o universo, a elegante equação de Einstein exige que a velocidade da luz seja uma constante imutável. Einstein afirmou que a luz se movia no vácuo, não em qualquer tipo de éter luminífero, e de tal forma que se movia na mesma velocidade, independentemente da velocidade do observador. 

Pense assim: Observadores sentados em um trem podem olhar para um trem se movendo ao longo de um trilho paralelo e pensar em seu movimento relativo para si mesmos como zero. Mas os observadores que se movem quase à velocidade da luz ainda perceberiam a luz se afastando deles a mais de 670 milhões de mph. (Isso porque se mover muito, muito rápido é um dos únicos métodos confirmados de viagem no tempo, o tempo realmente diminui para os observadores, que envelhecerão mais devagar e perceberão menos momentos do que um observador se movendo lentamente.)

Em outras palavras, Einstein propôs que a velocidade da luz não varia com o tempo ou lugar em que você a mede, ou com a rapidez com que você está se movendo. 

Portanto, objetos com massa nunca podem atingir a velocidade da luz. Se um objeto alcançasse a velocidade da luz, sua massa se tornaria infinita. E, como resultado, a energia necessária para mover o objeto também se tornaria infinita: Uma impossibilidade.

Isso significa que, se basearmos nossa compreensão da física na relatividade especial (o que a maioria dos físicos modernos fazem), a velocidade da luz é o limite de velocidade imutável do nosso universo, a mais rápida que qualquer coisa pode viajar. 

O QUE É MAIS RÁPIDO QUE A VELOCIDADE DA LUZ?

Embora a velocidade da luz seja muitas vezes referida como o limite de velocidade do universo, o universo na verdade se expande ainda mais rápido. O universo se expande a pouco mais de 68 quilômetros por segundo para cada megaparsec de distância do observador, escreveu o astrofísico Paul Sutter em um artigo anterior para Space.com. (Um megaparsec é 3,26 milhões de anos-luz, um caminho muito longo.)

Em outras palavras, uma galáxia a 1 megaparsec de distância parece estar se afastando da Via Láctea a uma velocidade de 42 milhas por segundo (68 km/s), enquanto uma galáxia a dois megaparsecs de distância recua a quase 86 milhas por segundo (136 km/s), e assim por diante. 

"Em algum ponto, a alguma distância obscena, a velocidade ultrapassa a escala e excede a velocidade da luz, tudo pela expansão natural e regular do espaço", explicou Sutter. "Parece que deveria ser ilegal, não é?"

A relatividade especial fornece um limite absoluto de velocidade dentro do universo, de acordo com Sutter, mas a teoria de Einstein de 1915 sobre a relatividade geral permite um comportamento diferente quando a física que você está examinando não é mais "local".

"Uma galáxia do outro lado do universo? Esse é o domínio da relatividade geral, e a relatividade geral diz: Quem se importa! Essa galáxia pode ter a velocidade que quiser, desde que fique muito longe, e não perto do seu rosto", escreveu Sutter. "A relatividade especial não se importa com a velocidade, superluminal ou não, de uma galáxia distante. E você também não deveria."

A LUZ NUNCA DIMINUI?

A luz se move mais lentamente ao viajar pelo diamante do que ao se mover pelo ar, e se move pelo ar um pouco mais devagar do que pode viajar no vácuo. Crédito da imagem: Shutterstock

A luz no vácuo geralmente viaja a uma velocidade absoluta, mas a luz que viaja através de qualquer material pode ser desacelerada. A quantidade que um material retarda a luz é chamada de índice de refração. A luz se curva ao entrar em contato com partículas, o que resulta em uma diminuição da velocidade.

Por exemplo, a luz que viaja pela atmosfera da Terra se move quase tão rápido quanto a luz no vácuo, desacelerando em apenas três décimos de milésimos da velocidade da luz. Mas a luz que passa por um diamante diminui para menos da metade de sua velocidade típica, informou a PBS NOVA. Mesmo assim, ela viaja pela joia a mais de 277 milhões de mph (quase 124.000 km/s), o suficiente para fazer a diferença, mas ainda incrivelmente rápido.

A luz pode ser aprisionada, e até mesmo pausada, dentro de nuvens ultra-frias de átomos, de acordo com um estudo de 2001 publicado na revista Nature. Mais recentemente, um estudo de 2018 publicado na revista Physical Review Letters propôs uma nova maneira de parar a luz em “pontos excepcionais”, ou lugares onde duas emissões de luz separadas se cruzam e se fundem em uma.

Os pesquisadores também tentaram diminuir a velocidade da luz mesmo quando ela está viajando no vácuo. Uma equipe de cientistas escoceses retardou com sucesso um único fóton, ou partícula de luz, mesmo enquanto se movia no vácuo, conforme descrito em seu estudo de 2015 publicado na revista Science. Em suas medições, a diferença entre o fóton retardado e um fóton "regular" era de apenas alguns milionésimos de metro, mas demonstrou que a luz no vácuo pode ser mais lenta que a velocidade oficial da luz. 

PODEMOS VIAJAR MAIS RÁPIDO QUE A LUZ?

A ficção científica adora a ideia de "velocidade de dobra". Viagens mais rápidas que a luz possibilita inúmeras franquias de ficção científica, condensando as vastas extensões de espaço e deixando os personagens irem e voltarem entre sistemas estelares com facilidade. 

Mas enquanto viagens mais rápidas que a luz não são garantidamente impossíveis, precisaríamos aproveitar uma física bastante exótica para fazê-la funcionar. Felizmente para entusiastas de ficção científica e físicos teóricos, há muitos caminhos a serem explorados.

Tudo o que temos a fazer é descobrir como não nos mover, já que a relatividade especial garantiria que seríamos destruídos por muito tempo antes de atingirmos velocidade alta o suficiente, mas, em vez disso, mover o espaço ao nosso redor. Fácil, certo? 

Uma ideia proposta envolve uma nave espacial que poderia dobrar uma bolha de espaço-tempo em torno de si. Parece ótimo, tanto na teoria quanto na ficção.

“Se o capitão Kirk fosse obrigado a se mover na velocidade de nossos foguetes mais rápidos, ele levaria cem mil anos apenas para chegar ao próximo sistema estelar”, disse Seth Shostak, astrônomo do Instituto de Busca por Inteligência Extraterrestre (SETI) em Mountain View, Califórnia, em uma entrevista de 2010 ao LiveScience. "Então, a ficção científica há muito postula uma maneira de vencer a barreira da velocidade da luz para que a história possa se mover um pouco mais rapidamente."

Sem viagens mais rápidas que a luz, qualquer "Jornada nas Estrelas" (ou "Guerra nas Estrelas") seria impossível. Se a humanidade chegar aos cantos mais distantes, e em constante expansão, do nosso universo, caberá aos futuros físicos ir corajosamente aonde ninguém jamais foi.

RECURSOS ADICIONAIS

• Para saber mais sobre a velocidade da luz, confira esta ferramenta divertida da Academo que permite visualizar a velocidade com que a luz pode viajar de qualquer lugar da Terra para qualquer outro ponto. 
• Se você estiver mais interessado em outros números importantes, familiarize-se com as constantes universais que definem os sistemas padrão de medição em todo o mundo com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. 
• E se você quiser saber mais sobre a história da velocidade da luz, confira o livro "Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Speed of Light" (Oxford, 2019) de John CH Spence.

Pesquisa anterior para este artigo fornecida pela colaboradora do Space.com Nola Taylor Redd.

BIBLIOGRAFIA

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Referência:

STEIN, Vicky. What is the speed of light? Space, 21, jan. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/15830-light-speed.html>. Acesso em: 25, mar. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.