Todos conhecemos e amamos a velocidade da luz – 299.792.458 metros por segundo – mas por que ela tem o valor que possui? Por que não há outro número? E por que nos importamos tanto com alguma velocidade aleatória das ondas eletromagnéticas? Por que se tornou uma pedra angular da física?
Bem, é porque a velocidade da luz é simplesmente estranha.
Colocando a luz à prova
A primeira pessoa a perceber que a luz realmente tem velocidade foi um astrônomo chamado Ole Romer. No final de 1600, ele era obcecado por alguns movimentos estranhos da lua Io em torno de Júpiter. De vez em quando, o grande planeta bloqueava nossa visão de sua pequena lua, causando um eclipse, mas o tempo entre os eclipses parecia mudar ao longo do ano. Ou algo estranho estava acontecendo com a órbita de Io – que parecia suspeita – ou algo mais estava acontecendo.
Após alguns anos de observações, Romer fez a conexão. Quando vemos Io eclipsado, estamos em uma certa posição em nossa própria órbita ao redor do sol. Porém, na próxima vez que vermos outro eclipse, alguns dias depois, estaremos em uma posição ligeiramente diferente, talvez mais perto ou mais longe de Júpiter do que na última vez. Se estivermos mais longe do que na última vez em que vimos um eclipse, isso significa que precisamos esperar um pouco de tempo extra para ver o próximo, porque leva muito mais tempo para que a luz chegue até nós, e o inverso é verdadeiro se estivermos um pouco mais perto de Júpiter.
A única maneira de explicar as variações no tempo dos eclipses de Io é se a luz tiver uma velocidade finita.
Fazendo com que isso signifique algo
Medições contínuas ao longo dos séculos seguintes solidificaram a medição da velocidade da luz, mas não foi até meados do século XIX que as coisas realmente começaram a se unir. Foi quando o físico James Clerk Maxwell acidentalmente “inventou” a luz.
Maxwell estava brincando com os fenômenos de eletricidade e magnetismo então pouco compreendidos quando descobriu uma única imagem unificada que poderia explicar todas as observações díspares. Lançando as bases para o que agora entendemos ser a força eletromagnética, nessas equações ele descobriu que a mudança de campos elétricos pode criar campos magnéticos e vice-versa. Isso permite que ondas de eletricidade criem ondas de magnetismo, que produzem ondas de eletricidade e para frente e para trás e para frente e para trás, saltando um sobre o outro, capazes de viajar pelo espaço.
E quando ele foi calcular a velocidade dessas chamadas ondas eletromagnéticas, Maxwell obteve o mesmo número que os cientistas mediam como a velocidade da luz há séculos. Logo, a luz é feita de ondas eletromagnéticas e viaja nessa velocidade, porque é exatamente com a rapidez com que as ondas de eletricidade e magnetismo viajam pelo espaço.
E tudo estava bem até que Einstein apareceu algumas décadas depois e percebeu que a velocidade da luz não tinha nada a ver com a luz. Com sua teoria especial da relatividade, Einstein percebeu a verdadeira conexão entre tempo e espaço, um tecido unificado conhecido como espaço-tempo. Mas como todos sabemos, o espaço é muito diferente do tempo. Um metro ou um pé é muito diferente de um segundo ou um ano. Eles parecem ser duas coisas completamente diferentes.
Então, como eles poderiam estar no mesmo pé?
Precisava haver algum tipo de cola, alguma conexão que nos permitisse traduzir entre movimento no espaço e movimento no tempo. Em outras palavras, precisamos saber quanto vale um metro de espaço, por exemplo, no tempo. Qual é a taxa de câmbio? Einstein descobriu que havia uma única constante, uma certa velocidade, que poderia nos dizer quanto espaço era equivalente a quanto tempo e vice-versa.
As teorias de Einstein não disseram qual era esse número, mas ele aplicou relatividade especial às antigas equações de Maxwell e descobriu que essa taxa de conversão é exatamente a velocidade da luz.
Obviamente, essa taxa de conversão, essa constante fundamental que unifica espaço e tempo, não sabe o que é uma onda eletromagnética e nem sequer se importa. É apenas um número, mas acontece que Maxwell já calculou esse número e o descobriu sem nem mesmo saber. Isso ocorre porque todas as partículas sem massa são capazes de viajar nessa velocidade e, como a luz é sem massa, ela pode viajar nessa velocidade. E assim, a velocidade da luz se tornou uma pedra angular importante da física moderna.
Mas ainda assim, por que esse número, com esse valor, e não algum outro número aleatório? Por que a natureza escolheu esse e nenhum outro? O que está acontecendo?
Tornando-o sem sentido
Bem, o número realmente não importa. Afinal, possui unidades: metros por segundo. E na física qualquer número que tenha unidades anexadas a ela pode ter qualquer valor antigo que desejar, porque significa que você precisa definir quais são as unidades. Por exemplo, para expressar a velocidade da luz em metros por segundo, primeiro você precisa decidir o que diabos é um metro e o que diabos é um segundo. E, assim, a definição da velocidade da luz está ligada às definições de duração e tempo.
Na física, estamos mais preocupados com constantes que não têm unidades ou dimensões – em outras palavras, constantes que aparecem em nossas teorias físicas que são apenas números simples. Elas parecem muito mais fundamentais, porque não dependem de nenhuma outra definição. Outra maneira de dizer é que, se encontrássemos alguma civilização alienígena, não teríamos como entender sua medição da velocidade da luz, mas, quando se trata de constantes sem dimensão, todos podemos concordar. Eles são apenas números.
Um desses números é conhecido como constante de estrutura fina, que é uma combinação da velocidade da luz, constante de Planck e algo conhecido como permissividade do espaço livre. Seu valor é aproximadamente 0,007. 0,007 o que? Apenas 0,007. Como eu disse, é apenas um número.
Então, por um lado, a velocidade da luz pode ser o que quiser, porque tem unidades e precisamos definir as unidades. Mas, por outro lado, a velocidade da luz não pode ser outra coisa senão exatamente o que é, porque se você mudasse a velocidade da luz, alteraria a constante da estrutura fina. Mas nosso universo escolheu a constante da estrutura fina para ser aproximadamente 0,007, e nada mais. Esse é simplesmente o universo em que vivemos, e não temos escolha. E como isso é fixo e universal, a velocidade da luz deve ser exatamente o que é.
Então, por que a estrutura fina é constante exatamente o número que é e não outra coisa? Boa pergunta. Nós não sabemos.
Publicado em 18/07/2020 19h11
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