Pergunte ao Ethan nº 109: Como os fótons vivenciam o tempo?
Crédito da imagem: NASA / Estação Espacial Internacional.
A maneira como você experimenta o tempo muda quando você se aproxima da velocidade da luz. Então, o que acontece quando você realmente o alcança?
Todo mundo tem seu sonho; Gostaria de viver até o amanhecer, mas sei que me restam menos de três horas. Será noite, mas não importa. Morrer é simples. Não leva luz do dia. Assim seja: morrerei à luz das estrelas. – Victor Hugo
Cada semana, você envia suas perguntas e sugestões para a nossa coluna Pergunte ao Ethan, e eu escolho a que acho que será a melhor história para todos vocês. Houve algumas ótimas opções esta semana, mas como este é o 110º aniversário da relatividade especial e o 100º da relatividade geral, pensei em escolher uma pergunta que exige uma resposta a Einstein. Então, vamos dar uma olhada no nosso envio do nosso leitor Erwin, que pergunta:
[L]light leva cerca de 8 minutos para viajar do sol à terra. A luz viaja na velocidade da luz. Se você fizer isso, a relatividade entra em ação. Então, minha pergunta é, quanto tempo passa para os fótons viajarem? Em outras palavras, quanto os fótons envelheceram quando atingiram a Terra? Obrigado por considerar isso.
Se sua intuição for apenas dizer oito minutos, eu teria dificuldade em discutir com você. Afinal, é quanto o fóton envelhece para nós .
Crédito da imagem: NASA / Estação Espacial Internacional.
Se uma caminhada de 0,8 km até a loja leva oito minutos e você caminha até a loja, você envelhece oito minutos. E se a lojista visse você caminhar até a loja, ela também saberia que você tinha oito minutos. Se tudo o que fizéssemos fosse aderir à definição newtoniana de tempo - com a noção de que o tempo era um absoluto quantidade - isso seria verdade para absolutamente nada no Universo: todos, em todos os lugares, experimentariam o tempo passando na mesma velocidade em todas as circunstâncias.
Mas se este fosse o caso, a velocidade da luz não podia seja uma constante.
Crédito da imagem: Noreen de http://thecampgal.com/2014/06/17/flashlight-giveaway/ .
Imagine que você está parado no chão, apontando uma lanterna em uma direção para um objeto a um segundo-luz de distância. Agora imagine que você está correndo em direção ao mesmo objeto, iluminando a mesma lanterna. Quanto mais rápido você corre, mais rápido você espera que a luz vá: ela deve se mover na velocidade em que a luz em repouso se move. mais qualquer velocidade que você correr.
Por que isso seria uma necessidade?
Eu quero que você imagine que você tem um relógio, só que em vez de ter um relógio onde uma engrenagem gira e os ponteiros se movem, você tem um relógio onde um único fóton de luz salta para cima e para baixo entre dois espelhos. Se o seu relógio estiver em repouso , você vê o fóton saltando para cima e para baixo, e os segundos passam normalmente. Mas se o seu relógio está se movendo e você olha para ele, como os segundos passarão agora?
Crédito da imagem: John D. Norton, via http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/ .
Muito claramente, é leva mais tempo para que os saltos ocorram se a velocidade da luz for sempre constante. Se o tempo corresse na mesma velocidade para todos, em todos os lugares e sob todas as condições, então veríamos a velocidade da luz ser arbitrariamente rápida quanto mais rápido algo se movesse. E o que é ainda pior, é se algo se moveu muito rapidamente e depois acendeu uma lanterna na direcção oposta , veríamos que a luz mal se movia: estaria quase em repouso.
Como a luz não faz isso – ou muda sua velocidade no vácuo em nenhuma circunstância – sabemos que essa imagem ingênua está errada.
Crédito da imagem: Shutterstock/Pixomar.
Em 1905, Einstein apresentou sua teoria da relatividade especial, observando que o experimento fracassado de Michelson-Morley e os fenômenos de contração do comprimento e dilatação do tempo seriam explicados se a velocidade da luz no vácuo fosse uma constante universal. c . Isso significa que quanto mais rápido algo se move - quanto mais próximo da velocidade da luz ele se move - alguém que o observa em repouso verá seus próprios tempos e distâncias como normais, mas alguém montando o objeto em movimento rápido verá que ele percorreu uma distância menor e viajou por um período de tempo menor do que o observador que permaneceu em repouso.
Crédito da imagem: The Curious Astronomer, via https://thecuriousastronomer.wordpress.com/2013/05/30/einstein-and-time-travel/ .
Na verdade, quando você faz aquela caminhada de oito minutos até a loja, graças à relatividade de Einstein, a hora em seu relógio – supondo que fosse super precisa e combinasse com o relógio do lojista exatamente antes de você sair – agora seria um pouco abaixo dois nanossegundos à frente do relógio do lojista! Os efeitos da relatividade, mesmo que sejam pequenos na maioria das circunstâncias, estão sempre em jogo.
A razão é porque as coisas não apenas se movem pelo espaço, e eles não apenas avançam no tempo. É porque espaço e tempo estão ligados como parte de um tecido unificado: o espaço-tempo.
Crédito da imagem: Clear Science, via https://metaphysicien.wordpress.com/2014/09/27/space-time-fabric/ .
Isso foi percebido pela primeira vez por um dos ex-professores de Einstein, Hermann Minkowski, em 1908, que disse:
As visões de espaço e tempo que desejo apresentar a vocês surgiram do solo da física experimental, e é aí que reside sua força. Eles são radicais. Doravante, o espaço por si mesmo e o tempo por si só estão condenados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente.
A maneira como isso funciona é que todos e tudo o que existe em absoluto sempre se move através do espaço-tempo, e eles sempre se movem através do espaço-tempo com uma relação muito particular: você se move uma certa quantidade através da combinação dos dois, não importa como você se mova em relação a qualquer outra coisa.
Crédito da imagem: (C) Encyclopaedia Britannica, Inc.
Se você se mover pelo espaço rapidamente de um certo ponto de vista, você se move através menos tempo: é por isso que quando você caminhava para a loja, sua jornada no tempo era cerca de 2 nanossegundos a menos que a do lojista: você se movia no espaço mais rapidamente do que ela, e então você se movia no tempo um pouco menos que ela. Se você se movesse mais rápido, seu relógio estaria ainda mais adiantado. Na verdade, se você se aproximasse muito da velocidade da luz - se você se movesse a 99,9999999% da velocidade da luz naquela jornada até a loja - não importa o quão longe a loja estivesse, o lojista veria isso 22.000 vezes tanto tempo passou para ela quanto passou para você.
Uma viagem relativista em direção à constelação de Órion. Crédito da imagem: Alexis Brandeker, via http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/Spaceship/spaceship.html .
Então agora, com tudo isso em mente, vamos ao fóton em si. Não está se movendo aproximar a velocidade da luz, mas na verdade no A velocidade da luz. Todas as nossas fórmulas para descrever como é para um observador nos dão respostas com infinidades quando se trata de perguntar o que acontece no A velocidade da luz. Mas infinitos nem sempre significam que a física está errada; muitas vezes significam que a física faz algo não intuitivo. Quando você se move na velocidade da luz, isso significa o seguinte:
- Você absolutamente não pode tem massa; se o fizesse, levaria um infinito quantidade de energia na velocidade da luz. Você deve ser sem massa.
- Você não experimentará nenhuma de suas viagens pelo espaço. Todas as distâncias ao longo de sua direção de movimento serão reduzidas a um único ponto.
- E você não experimentará a passagem do tempo; toda a sua jornada parecerá instantânea.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons LucasVB .
Para um observador aqui na Terra, a luz será emitida do Sol cerca de oito minutos (mais como 8:20) antes de recebê-la, e se pudéssemos observar o fóton viajar, ele pareceria se mover na velocidade da luz por todo o planeta. toda a sua jornada. Mas se houvesse um relógio a bordo desse fóton, ele pareceria estar totalmente parado para nós. Enquanto esses pouco mais de oito minutos passariam como normais para nós, o fóton não experimentaria absolutamente nenhuma passagem de tempo.
Isso fica particularmente perturbador quando olhamos para galáxias distantes no Universo.
Crédito da imagem: NASA , ESTA , S. Beckwith ( STScI ) e a Equipe do HUDF.
A luz emitida por eles leva bilhões anos para chegar até nós do nosso ponto de vista como observadores da Via Láctea. Durante esse tempo, a expansão do Universo faz com que o espaço se estique e a energia dos fótons emitidos caia tremendamente: um redshift cosmológico. No entanto, apesar dessa incrível jornada, o próprio fóton não experimenta nada do que conhecemos como tempo: ele simplesmente é emitido e depois instantaneamente é absorvido, experimentando a totalidade de suas viagens pelo espaço literalmente em nenhum momento. Dado tudo o que sabemos, um fóton nunca envelhece.
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