Em setembro de 2011, o físico Antonio Ereditato chocou o mundo. Sua declaração pode virar nossa compreensão do universo de cabeça para baixo. Se os dados coletados pelos 160 cientistas do OPERA estivessem corretos, o incrível foi observado. As partículas - neste caso os neutrinos - moviam-se mais rápido que a luz. De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, isso é impossível. E as consequências de tal observação seriam incríveis. Talvez os próprios fundamentos da física precisassem ser revisados.
Embora Ereditato tenha dito que ele e sua equipe estavam “extremamente confiantes” em seus resultados, eles não disseram que os dados eram perfeitamente precisos. Pelo contrário, eles pediram a outros cientistas para ajudá-los a descobrir o que estava acontecendo.
No final, descobriu-se que os resultados do OPERA estavam errados. Um cabo mal conectado causou um problema de sincronização e os sinais dos satélites GPS eram imprecisos. Houve um atraso inesperado no sinal. Como resultado, as medições do tempo que os neutrinos levaram para cobrir uma certa distância mostraram 73 nanossegundos extras: parecia que os neutrinos voavam mais rápido que a luz.
Apesar de meses de escrutínio antes de iniciar o experimento e de dupla verificação dos dados depois, os cientistas estavam seriamente errados. A Ereditato renunciou, ao contrário do que muitos afirmam que tais erros sempre ocorreram devido à extrema complexidade do dispositivo dos aceleradores de partículas.
Por que a suposição - apenas a suposição - de que algo poderia se mover mais rápido que a luz causava tal ruído? Até que ponto estamos confiantes de que nada pode superar essa barreira?
Vamos examinar a segunda dessas questões primeiro. A velocidade da luz no vácuo é de 299.792,458 quilômetros por segundo - por conveniência, esse número é arredondado para 300.000 quilômetros por segundo. É bem rápido. O Sol está a 150 milhões de quilômetros da Terra e a luz que vem dele chega à Terra em apenas oito minutos e vinte segundos.
Alguma de nossas criações pode competir na corrida contra a luz? Um dos objetos feitos pelo homem mais rápidos já construídos, a sonda espacial New Horizons passou zunindo por Plutão e Caronte em julho de 2015. Ele atingiu uma velocidade em relação à Terra de 16 km / s. Muito menos que 300.000 km / s.
No entanto, tínhamos partículas minúsculas que se moviam muito rapidamente. No início da década de 1960, William Bertozzi, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, fez experiências com elétrons acelerados a velocidades ainda maiores.
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Como os elétrons têm carga negativa, eles podem ser acelerados - repelidos com mais precisão - aplicando a mesma carga negativa ao material. Quanto mais energia é aplicada, mais rápido os elétrons se aceleram.
Alguém poderia pensar que você só precisa aumentar a energia aplicada para acelerar a uma velocidade de 300.000 km / s. Mas acontece que os elétrons simplesmente não podem se mover tão rápido. Os experimentos de Bertozzi mostraram que usar mais energia não leva a um aumento diretamente proporcional na velocidade dos elétrons.
Em vez disso, enormes quantidades de energia adicional tiveram que ser aplicadas para alterar a velocidade dos elétrons, mesmo que ligeiramente. Estava ficando cada vez mais perto da velocidade da luz, mas nunca a alcançou.
Imagine caminhar em direção à porta em pequenos passos, cada um percorrendo metade da distância de sua posição atual até a porta. A rigor, você nunca chegará até a porta, pois a cada passo que der, você terá um distanciamento a superar. Bertozzi enfrentou praticamente esse problema ao lidar com seus elétrons.
Mas a luz é composta de partículas chamadas fótons. Por que essas partículas podem se mover na velocidade da luz, mas os elétrons não?
“À medida que os objetos se movem cada vez mais rápido, eles ficam mais pesados - quanto mais pesados ficam, mais difícil é para eles acelerar, então você nunca chega à velocidade da luz”, diz Roger Rassoul, físico da Universidade de Melbourne, na Austrália. “Um fóton não tem massa. Se ele tivesse massa, ele não poderia se mover na velocidade da luz."
Os fótons são especiais. Eles não só carecem de massa, o que lhes dá total liberdade de movimento no vácuo do espaço, como também não precisam acelerar. A energia natural de que dispõem se move em ondas, assim como eles, portanto, na hora de sua criação, já possuem velocidade máxima. Em certo sentido, é mais fácil pensar na luz como energia em vez de um fluxo de partículas, embora, na verdade, a luz seja as duas coisas.
No entanto, a luz viaja muito mais devagar do que poderíamos esperar. Enquanto os técnicos da Internet gostam de falar sobre comunicações que operam na "velocidade da luz" na fibra, a luz viaja 40% mais devagar no vidro dessa fibra do que no vácuo.
Na realidade, os fótons viajam a uma velocidade de 300.000 km / s, mas encontram uma certa quantidade de interferência, interferência causada por outros fótons que são emitidos pelos átomos de vidro quando a onda de luz principal passa. Isso pode não ser fácil de entender, mas pelo menos tentamos.
Da mesma forma, no âmbito de experimentos especiais com fótons individuais, foi possível desacelerá-los de maneira impressionante. Mas na maioria dos casos o número de 300.000 será válido. Não vimos ou criamos nada que pudesse se mover tão rápido, ou até mais rápido. Existem pontos especiais, mas antes de tocarmos neles, vamos abordar nossa outra questão. Por que é tão importante que a regra da velocidade da luz seja estritamente seguida?
A resposta tem a ver com um homem chamado Albert Einstein, como costuma ser o caso na física. Sua teoria da relatividade especial examina as muitas consequências de seus limites universais de velocidade. Um dos elementos mais importantes da teoria é a ideia de que a velocidade da luz é constante. Não importa onde você esteja ou quão rápido você está se movendo, a luz sempre se move na mesma velocidade.
Mas isso tem vários problemas conceituais.
Imagine a luz caindo de uma lanterna em um espelho no teto de uma espaçonave estacionária. A luz sobe, é refletida no espelho e cai no chão da espaçonave. Digamos que ele percorra uma distância de 10 metros.
Agora imagine que esta espaçonave comece a se mover a uma velocidade colossal de muitos milhares de quilômetros por segundo. Ao acender a lanterna, a luz se comporta como antes: brilha para cima, atinge o espelho e se reflete no chão. Mas para fazer isso, a luz terá que percorrer uma distância diagonal, não vertical. Afinal, o espelho agora está se movendo rapidamente com a espaçonave.
Consequentemente, a distância que a luz percorre aumenta. Digamos 5 metros. Acontece 15 metros no total, não 10.
Apesar disso, embora a distância tenha aumentado, as teorias de Einstein afirmam que a luz ainda se moverá na mesma velocidade. Como a velocidade é a distância dividida pelo tempo, como a velocidade permanece a mesma e a distância aumentou, o tempo também deve aumentar. Sim, o próprio tempo deve se esticar. Embora pareça estranho, foi confirmado experimentalmente.
Este fenômeno é denominado dilatação do tempo. O tempo passa mais devagar para pessoas que viajam em veículos de movimento rápido, em relação àquelas que estão paradas.
Por exemplo, o tempo passa 0,007 segundos mais devagar para os astronautas na Estação Espacial Internacional, que se move a uma velocidade de 7,66 km / s em relação à Terra quando comparada aos humanos no planeta. Ainda mais interessante é a situação com partículas como os elétrons mencionados, que podem viajar perto da velocidade da luz. No caso dessas partículas, o grau de desaceleração será enorme.
Stephen Colthammer, um físico experimental da Universidade de Oxford, no Reino Unido, aponta para um exemplo de partículas chamadas múons.
Os múons são instáveis: eles decaem rapidamente em partículas mais simples. Tão rápido que a maioria dos múons que deixam o Sol deve se deteriorar quando chegarem à Terra. Mas, na realidade, os múons chegam à Terra vindos do Sol em volumes colossais. Os físicos há muito tentam descobrir por quê.
“A resposta para esse mistério é que os múons são gerados com tanta energia que se movem a velocidades próximas à da luz”, diz Kolthammer. "Seu senso de tempo, por assim dizer, seu relógio interno funciona devagar."
Os múons "sobrevivem" mais tempo do que o esperado em relação a nós, graças à atual curvatura natural do tempo. Quando os objetos se movem rapidamente em relação a outros objetos, seu comprimento também diminui, se contrai. Essas consequências, dilatação do tempo e diminuição do comprimento, são exemplos de como o espaço-tempo muda dependendo do movimento das coisas - eu, você ou a espaçonave - com massa.
O que é importante, como disse Einstein, isso não afeta a luz, pois ela não tem massa. É por isso que esses princípios andam de mãos dadas. Se os objetos pudessem se mover mais rápido do que a luz, eles obedeceriam às leis fundamentais que descrevem como o universo funciona. Esses são os princípios-chave. Agora podemos falar sobre algumas exceções e derrogações.
Por outro lado, embora não tenhamos visto nada se movendo mais rápido do que a luz, isso não significa que este limite de velocidade não possa teoricamente ser quebrado em condições muito específicas. Considere, por exemplo, a expansão do próprio universo. As galáxias no Universo estão se afastando umas das outras a velocidades muito mais rápidas do que a da luz.
Outra situação interessante diz respeito às partículas que compartilham as mesmas propriedades ao mesmo tempo, não importa o quão longe umas das outras. Este é o chamado "entrelaçamento quântico". O fóton girará para cima e para baixo, escolhendo aleatoriamente entre dois estados possíveis, mas a escolha da direção de rotação refletirá com precisão no outro fóton em outro lugar, se eles estiverem emaranhados.
Dois cientistas, cada um estudando seu próprio fóton, obterão o mesmo resultado simultaneamente, mais rápido do que a velocidade da luz permitiria.
No entanto, em ambos os exemplos, é importante notar que nenhuma informação viaja mais rápido do que a velocidade da luz entre dois objetos. Podemos calcular a expansão do Universo, mas não podemos observar objetos mais rápido do que a luz nele: eles desapareceram do campo de visão.
Quanto aos dois cientistas com seus fótons, embora pudessem obter o mesmo resultado ao mesmo tempo, eles não podiam deixar um ao outro saber disso mais rápido do que a luz viaja entre eles.
“Isso não representa nenhum problema para nós, porque se você é capaz de enviar sinais mais rápido que a luz, você obtém paradoxos bizarros segundo os quais as informações podem, de alguma forma, viajar de volta no tempo”, diz Kolthammer.
Existe outra maneira possível de tornar tecnicamente possível uma viagem mais rápida do que a luz: fendas no espaço-tempo que permitiriam ao viajante evitar as regras da viagem normal.
Gerald Cleaver, da Baylor University, no Texas, acredita que um dia seremos capazes de construir uma espaçonave que viaje mais rápido do que a luz. Que se move por um buraco de minhoca. Os buracos de minhoca são loops no espaço-tempo que se encaixam perfeitamente nas teorias de Einstein. Eles podem permitir que um astronauta salte de uma extremidade do universo para a outra usando uma anomalia no espaço-tempo, alguma forma de atalho cósmico.
Um objeto viajando por um buraco de minhoca não excederá a velocidade da luz, mas teoricamente poderia chegar ao seu destino mais rápido do que a luz viajando ao longo do caminho "normal". Mas os buracos de minhoca podem não ser acessíveis para viagens espaciais. Poderia haver outra maneira de distorcer ativamente o espaço-tempo para se mover mais rápido do que 300.000 km / s em relação a outra pessoa?
Cleaver explorou também a ideia de uma "máquina de Alcubierre" proposta pelo físico teórico Miguel Alcubierre em 1994. Ele descreve uma situação na qual o espaço-tempo se contrai na frente da espaçonave, empurrando-a para frente, e se expande atrás dela, também empurrando-a para frente. "Mas então", diz Cleaver, "surgiram problemas: como fazer e quanta energia seria necessária."
Em 2008, ele e seu aluno de graduação Richard Aubosie calcularam quanta energia seria necessária.
“Imaginamos uma espaçonave de 10m x 10m x 10m - 1.000 metros cúbicos - e calculamos que a quantidade de energia necessária para iniciar o processo seria equivalente à massa de um Júpiter inteiro”.
Depois disso, a energia deve ser constantemente "despejada" para que o processo não termine. Ninguém sabe se isso algum dia será possível ou como serão as tecnologias necessárias. “Não quero ser citado por séculos como prevendo algo que nunca acontecerá”, diz Cleaver, “mas ainda não vejo soluções”.
Portanto, viajar mais rápido do que a velocidade da luz continua sendo uma fantasia no momento. Até agora, a única maneira de visitar um exoplaneta durante a vida é mergulhar em uma animação suspensa profunda. E ainda não é de todo ruim. Na maioria dos casos, falamos sobre luz visível. Mas, na realidade, a luz é muito mais. De ondas de rádio e microondas à luz visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama emitidos pelos átomos à medida que se decompõem, esses lindos raios são todos feitos da mesma coisa: fótons.
A diferença está na energia, o que significa comprimento de onda. Juntos, esses raios formam o espectro eletromagnético. O fato de as ondas de rádio, por exemplo, viajarem na velocidade da luz é incrivelmente útil para a comunicação.
Em sua pesquisa, Kolthammer cria um circuito que usa fótons para transferir sinais de uma parte do circuito para outra, então ele merece o direito de comentar sobre a utilidade da incrível velocidade da luz.
“O próprio fato de termos construído a infraestrutura da Internet, por exemplo, e antes disso o rádio baseado na luz, tem a ver com a facilidade com que podemos transmiti-lo”, observa. E ele acrescenta que a luz atua como a força de comunicação do universo. Quando os elétrons de um telefone celular começam a tremer, os fótons voam para fora e fazem com que os elétrons do outro telefone também tremam. É assim que nasce um telefonema. Os tremores de elétrons no Sol também emitem fótons - em grandes quantidades - que, é claro, formam a luz que dá calor à vida na Terra e, ahem, luz.
A luz é a linguagem universal do universo. Sua velocidade - 299.792,458 km / s - permanece constante. Enquanto isso, espaço e tempo são maleáveis. Talvez não devêssemos pensar em como nos mover mais rápido que a luz, mas em como nos mover mais rápido através deste espaço e deste tempo? Para amadurecer na raiz, por assim dizer?
