Glitch da Física! Por que a luz parece desacelerar quando não está no vácuo?

Nosso meio de observar o Universo é através da luz utilizando todo o seu espectro que vai desde raios gamma até o rádio. Além disso, a luz também é a forma de comunicação entre antenas e até mesmo entre satélites. Um dos maiores avanços da humanidade foi compreender o Eletromagnetismo e entender melhor a luz.

Uma das descobertas do Eletromagnetismo foi que a luz possui uma velocidade constante no vácuo. A luz possui o limite máximo de velocidade no Universo com uma velocidade de c = 299972 km/s. Essa descoberta foi a base para que Albert Einstein introduzisse a relatividade e concluísse que a velocidade da luz é a mesma para todo referencial.

No entanto, aprendemos desde cedo que a luz desacelera quando passa de um meio para outro. Por exemplo, a velocidade da luz no ar é maior do que a velocidade da luz na água. Sendo o valor conhecido como c sendo possível apenas no vácuo. Mas por que a luz parece desacelerar no meio? E como a Física explica esse fenômeno?

Dualidade onda-partícula

Um dos fenômenos mais interessantes da Física é a dualidade onda-partícula. Esse fenômeno descreve que propriedades da Mecânica Quântica podem se comportar como partícula ou como onda. Elétrons, prótons, fótons são exemplos de componentes que tem comportamente de onda ou de partícula.

A componente mais conhecida com essa propriedade é o fóton que é a partícula associada à luz. Sabemos também que a luz tem propriedades de onda e até mesmo dividimos o espectro eletromagnético através de comprimentos de onda e frequências. Dependendo do tipo de observação, a luz pode ser tratada tanto como um ou como outro que os resultados irão convergir.

Lei de Snell

Na Física Óptica, uma das principais leis é a famosa Lei de Snell. Essa lei descreve como o comportamento da luz muda de um meio para outro. A fórmula é bastante simples: sabemos os ângulos, os comprimentos de onda ou os índices de refração da luz antes de entrar no meio e depois é possível encontrar mudanças na velocidade da luz.

A lei de Snell é importante em diversos ramos como na construção de vidros que compõem janelas de carros, por exemplo. No nosso dia a dia, observamos a lei de Snell quando estamos na piscina e a posição de algo dentro da água parece diferente dependendo de onde se observa. Mas o que mais chama atenção é a diferença de velocidades.

Utilizando a lei, é possível ver que a velocidade da luz no ar é diferente da velocidade da luz na água, considerando exemplo da piscina. Isso é verdade para diferentes meios também. Sabemos que a velocidade máxima da luz acontece quando ela está no vácuo e por isso é comum ouvirmos que a luz só é a coisa mais rápida do Universo no vácuo.

Absorção e reemissão

Quando a luz passa por um meio composto por átomos, como o ar ou vidro, ela interage com os átomos que compõe aquele meio. As interações acontecem por meio de absorção e reemissão. A absorção é quando os fótons são absorvidos pelos átomos através de passar a energia para os elétrons que vão para um nível de energia maior.

Como no Universo tudo busca um nível de energia minímo, o elétron precisa perder aquela energia para voltar ao seu nível de energia original. A forma que o elétron perde energia é reemitindo o fóton para o meio novamente. Esse processo é chamado de reemissão e leva um tempo desde o momento que absorve até ser reemitido.

Corrida de obstáculos

Por causa do efeito de absorção e reemissão, o fóton sofre um atraso no tempo que levaria de um ponto ao outro fazendo com que a velocidade pareça ser menor. É como se fosse uma corrida de obstáculos onde os obstáculos são os átomos que estão presentes em um meio. Esse processo de absorção e reemissão acontece incontáveis vezes.

Dessa forma, esses obstáculos atrasam a luz fazendo com que a velocidade efetiva seja menor do que a velocidade da luz que conhecemos. Apesar disso, a velocidade do fóton de um átomo a outro permanece a mesma e é constante independente do referencial. No vácuo, esse efeito não acontece porque não há obstáculos para luz.

Mudança em cada meio

A velocidade efetiva que a luz terá em cada meio varia de quantos átomos estão presentes em um dado volume. No ar, os átomos estão mais espalhados então há menos obstáculos do que um mesmo volume de água. Isso se torna ainda mais evidentes quando consideramos sólidos como vidros onde os átomos estão bem mais próximos.

Por isso, o indície de refração muda de meio para meio, todos estão relacionado com a densidade de cada meio. Além disso, outros efeitos como a dispersão também estão relacionados com o processo da mudança de meio. Esses efeitos são estudados pela Física Óptica.