Pergunte a Ethan: O Universo em Expansão quebra a velocidade da luz?
Em um Universo governado pela Relatividade Geral, cheio de matéria e energia, uma solução estática não é possível. Esse Universo deve expandir ou contrair, com medições revelando muito rápida e decisivamente que a expansão estava correta. Desde a sua descoberta no final da década de 1920, não houve desafios sérios a esse paradigma do Universo em expansão. (NASA/GSFC)
Tem 92 bilhões de anos-luz de largura após apenas 13,8 bilhões de anos. E isso é muito bom.
Se há uma regra que as pessoas sabem sobre a rapidez com que as coisas podem se mover, é que há um limite de velocidade cósmica: a velocidade da luz no vácuo. Se você tem qualquer quantidade de massa – como qualquer coisa feita de átomos – você não pode nem atingir esse limite; você só pode abordá-lo. Enquanto isso, se você não tem massa e está viajando por um espaço completamente vazio, não há outra velocidade na qual você possa se mover; você deve se mover na velocidade da luz. E, no entanto, se você pensar em quão grande é o Universo observável, sabemos que ele cresceu para 92 bilhões de anos-luz de diâmetro em apenas 13,8 bilhões de anos. Além disso, quando apenas um segundo se passou desde o Big Bang, o Universo já tinha vários anos-luz de diâmetro! Como isso é possível sem quebrar as leis da física? É o que Lucas, filho de Roberto Cánovas, quer saber, perguntando:
Se o Universo cresceu mais de 300.000 km em uma fração de segundo, isso significa que todas essas coisas tiveram que viajar mais rápido que a velocidade da luz durante esse pequeno período de tempo, quebrando a regra de que nada pode viajar mais rápido que a luz.
Se você quiser entender o que está acontecendo, terá que dobrar um pouco seu cérebro, porque as duas coisas são simultaneamente verdadeiras: o Universo realmente cresce dessa maneira, e ainda assim nada pode viajar mais rápido que a luz. Vamos descompactar como isso acontece.
A luz, no vácuo, parece sempre se mover na mesma velocidade, a velocidade da luz, independentemente da velocidade do observador. Se um objeto distante emitisse luz e se afastasse rapidamente de nós, poderia estar tão longe hoje quanto o dobro da distância de viagem da luz. (USUÁRIO DO PIXABAY MELMAK)
Vamos começar com a regra que você conhece: nada pode viajar mais rápido que a luz. Embora essa regra seja normalmente atribuída a Einstein – é uma pedra angular da Relatividade Especial – ela era realmente conhecida, ou pelo menos fortemente suspeitada, como verdadeira por mais de uma década antes dele.
Se você tem um objeto em repouso e aplica uma força a ele, ele vai acelerar. Esse é o famoso Newton F = m para , que diz que a força é igual à massa vezes a aceleração. Se você aplicar uma força a qualquer objeto massivo, ele vai acelerar, o que significa que vai acelerar em uma direção específica.
Mas isso não pode ser estritamente verdade o tempo todo. Imagine que você acelera algo para que fique mais rápido em 1 quilômetro por segundo a cada segundo que passa. Se você começar do repouso, levaria apenas 299.793 segundos (cerca de 3 ½ dias) antes de atingir e exceder a velocidade da luz! Em vez disso, deve haver regras diferentes em jogo quando você chega perto dessa velocidade, e descobrimos essas regras no final de 1800, quando Einstein ainda era criança.
Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, proposto por Einstein, mas previamente construído por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos em movimento rápido pareciam se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece dilatar para o mundo exterior. Essa imagem, da mecânica relativista, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica, mas também traz implicações tremendas para teorias que não são relativisticamente invariantes, como a gravidade newtoniana. (CURT RENHAW)
Pessoas como George FitzGerald e Hendrik Lorentz, trabalhando no século 19, deduziram algo espetacular: quando você se aproximava da velocidade da luz, o Universo que você observava parecia seguir regras diferentes. Normalmente, estamos acostumados a uma régua ser uma boa maneira de medir distâncias e os relógios serem uma boa maneira de medir o tempo. Se você pegasse sua régua e medisse um objeto em movimento, esperaria medir o mesmo valor como se o objeto estivesse parado ou se alguém a bordo desse objeto usasse sua própria régua. Da mesma forma, se você usasse seu relógio para medir quanto tempo decorreu entre dois eventos enquanto alguém no objeto em movimento usava o deles, você esperaria que todos obtivessem os mesmos resultados.
Mas você não obtém os mesmos resultados! Se você, em repouso, medir o comprimento do objeto em movimento, verá que ele é menor: os comprimentos se contraem quando você se move e se contraem mais quando você se aproxima da velocidade da luz.
Da mesma forma, se você, em repouso, medisse o quão rápido o relógio da pessoa em movimento estava indo, você veria o relógio dela funcionando mais devagar em comparação com o seu. Chamamos esses dois fenômenos de contração do comprimento e dilatação do tempo, e eles foram descobertos quando Einstein era apenas uma criança pequena.
A dilatação do tempo (L) e a contração do comprimento (R) mostram como o tempo parece correr mais devagar e as distâncias parecem diminuir à medida que você se aproxima da velocidade da luz. À medida que você se aproxima da velocidade da luz, os relógios se dilatam em direção ao tempo que não passa, enquanto as distâncias se contraem em quantidades infinitesimais. (USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS ZAYANI (L) E JROBBINS59 (R))
Então, o que Einstein fez de tão importante? Sua percepção espetacular foi que, não importa se você está parado ou sobre aquele objeto em movimento, quando você olha para um feixe de luz, você sempre o verá se movendo na mesma velocidade. Imagine que você acende uma lanterna apontada para longe de você. Se você está parado, a luz se move na velocidade da luz e seu relógio funciona em sua velocidade normal com sua régua lendo seu comprimento normal. Mas o que acontece se você estiver em movimento, em frente, e você acender a lanterna na sua frente?
Do ponto de vista de alguém estacionário, eles verão a luz se afastando de você a uma velocidade mais lenta: qualquer que seja a sua velocidade é subtraída da velocidade da luz. Mas eles também veriam que você está comprimido na direção em que está se movendo: suas distâncias e suas réguas se contraíram. Além disso, eles verão seus relógios mais lentos.
E esses efeitos se combinam de tal forma que, se você estiver se movendo, verá que suas réguas parecem normais, seus relógios parecem normais e a luz se afasta de você na velocidade da luz. Todos esses efeitos se cancelam exatamente para todos os observadores; todos no Universo, independentemente de como você está se movendo, veem a luz se mover exatamente na mesma velocidade: a velocidade da luz.
Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para qualquer observador. Embora os dois observadores possam não concordar um com o outro sobre quanto tempo está passando, eles concordarão nas leis da física e nas constantes do Universo, como a velocidade da luz. Um observador estacionário verá o tempo passar normalmente, mas um observador movendo-se rapidamente pelo espaço terá seu relógio mais lento em relação ao observador estacionário. (JOÃO D. NORTON)
Isso tem uma consequência terrível: significa que a equação F = m para não está certo quando falamos de relatividade! Se você estivesse se movendo a 99% da velocidade da luz e aplicasse uma força que teoricamente o aceleraria esse 1% extra do caminho até lá, você não atingiria 100% da velocidade da luz. Na verdade, você descobriria que está indo apenas 99,02% da velocidade da luz. Mesmo que você tenha aplicado uma força que deveria acelerá-lo em 1% da velocidade da luz, porque você já está se movendo a 99% da velocidade da luz, ela só aumenta sua velocidade em 0,02% da velocidade da luz.
O que está acontecendo é que, em vez de entrar em sua velocidade, essa força está mudando seu momento e sua energia cinética, não de acordo com as leis clássicas de Newton, mas de acordo com as leis da relatividade. A dilatação do tempo e a contração do comprimento vêm junto, e é por isso que partículas instáveis e de vida curta que vivem por quantidades minúsculas de tempo podem viajar mais longe do que a física não relativística pode explicar. Se você estender a mão, descobrirá que uma partícula cósmica instável – um múon – passa por ela a cada segundo. Mesmo que estes sejam criados por raios cósmicos a mais de 100 quilômetros de altura, e a vida útil do múon seja de apenas 2,2 microssegundos, essas partículas podem realmente descer até a superfície da Terra, apesar do fato de que 2,2 microssegundos na velocidade da luz não t mesmo levá-lo 1 quilômetro.
A trilha em forma de V no centro da imagem surge de um múon decaindo para um elétron e dois neutrinos. A trilha de alta energia com uma torção é evidência de um decaimento de partículas no ar. Ao colidir pósitrons e elétrons em uma energia específica e ajustável, pares múon-antimúon podem ser produzidos à vontade. No entanto, os múons também são produzidos por raios cósmicos na atmosfera superior, muitos dos quais chegam à superfície da Terra, apesar de terem uma vida útil de apenas 2,2 microssegundos e serem criados a cerca de 100 km acima. (O ROADSHOW DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA ESCOCÊS)
Toda essa análise, porém, foi para a Relatividade Especial de Einstein. Em nosso Universo, particularmente em escalas cósmicas, temos que usar a Relatividade Geral.
Qual é a diferença?
Ambas são teorias da relatividade: onde seu movimento no espaço é relativo ao seu movimento no tempo, e todos que têm uma posição e velocidade diferentes têm seu próprio quadro de referência único. Mas a Relatividade Especial é um caso especial e específico da Relatividade Geral. Na Relatividade Especial, não há efeitos gravitacionais. Não há massas curvando o espaço; não há ondas gravitacionais passando pela sua localização; não há expansão ou contração do Universo permitida. O espaço, por falta de um termo melhor, é plano, em vez de curvo.
Mas na Relatividade Geral, não apenas o espaço pode ser curvo, mas se você tiver alguma massa ou qualquer forma de energia em seu Universo, ele deve ser curvo. A presença de matéria e energia diz ao espaço como se curvar, e esse espaço curvo diz à matéria e à energia como se mover. Detectamos os efeitos dessa curvatura – ao redor do Sol, ao redor da Terra e até mesmo no grande laboratório cósmico do espaço sideral – e ela sempre parece concordar com as previsões de Einstein (e da Relatividade Geral).
Em vez de uma grade tridimensional vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas 'retas' se tornem curvas por uma quantidade específica. A curvatura do espaço devido aos efeitos gravitacionais da Terra é uma visualização da gravitação, e é uma maneira fundamental pela qual a Relatividade Geral difere da Relatividade Especial. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)
Em todos os casos, onde estávamos falando sobre as coisas serem limitadas pela velocidade da luz, estávamos falando sobre um caso especial: sobre objetos se movendo e (possivelmente) acelerando pelo espaço, mas onde o próprio espaço não estava mudando fundamentalmente. Em um Universo onde o único tipo de relatividade é a Relatividade Especial, tudo bem. Mas vivemos em um universo cheio de matéria e energia, e onde a gravitação é real. Não podemos usar a Relatividade Especial exceto como uma aproximação: onde coisas como a curvatura do espaço e a expansão do Universo são insignificantes. Isso pode ser bom aqui na Terra, mas não é bom quando se trata do Universo em expansão.
Aqui está a diferença. Imagine que o seu Universo é uma bola de massa, e que existem passas por toda parte. Na Relatividade Especial, as passas podem se mover um pouco pela massa: todas limitadas pela velocidade da luz e pelas leis da relatividade (e movimento relativo) com as quais você está familiarizado. Nenhuma passa se move pela massa mais rápido que a velocidade da luz e duas passas calculará e medirá suas velocidades relativas estar abaixo da velocidade da luz.
Mas agora, na Relatividade Geral, há uma grande diferença: a própria massa pode se expandir.
Se você vê o Universo como uma bola de massa com passas por toda parte, as passas são como objetos individuais em todo o Universo, como galáxias, enquanto a massa é como o tecido do espaço. À medida que a massa se expande, as passas individuais percebem que as passas mais distantes estão se afastando cada vez mais rápido, mas o que realmente está acontecendo é que as passas estão em sua maioria estacionárias. Apenas o espaço entre eles está se expandindo. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)
A massa não é algo que você possa observar, detectar ou medir; é simplesmente o nada do espaço vazio. Mas mesmo esse nada tem propriedades físicas. Ele determina quais são as distâncias, quais trajetórias os objetos seguirão, como o tempo flui e muitas outras propriedades. Tudo o que você pode ver, porém, são as partículas e ondas individuais – os quanta de energia – que existem no que chamamos de espaço-tempo. O próprio espaço-tempo é a massa; as partículas na massa, dos átomos às galáxias, são como as passas.
Agora, essa massa está se expandindo, assim como você imaginaria que uma bola de massa se expandiria se você a deixasse fermentar em um lugar sem gravidade, como a bordo da Estação Espacial Internacional. À medida que a massa se expande, qualquer passa em particular pode representar você, o observador.
As passas que estão perto de você parecerão se expandir lentamente para longe de você; os que estão distantes parecerão expandir-se rapidamente para longe de você. Mas, na realidade, isso não é porque as passas estão se movendo Através dos espaço; é porque o próprio espaço está se expandindo, e as próprias passas só se movem por esse espaço mais lentamente que a luz.
Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. (ROB KNOP)
Isso também significa que leva muito tempo para a luz proveniente desses objetos chegar aos nossos olhos; quanto mais longe olhamos, vemos os objetos como eram cada vez mais cedo na história do Universo. Na verdade, há um limite para a distância que podemos ver, porque o Big Bang ocorreu há um tempo finito, 13,8 bilhões de anos atrás, para ser preciso. Se o Universo não tivesse se expandido – se vivêssemos em um Universo de Relatividade Especial em vez de um Universo de Relatividade Geral – só poderíamos ver 13,8 bilhões de anos-luz em todas as direções, para um diâmetro de ~ 27,6 bilhões de luz -anos.
Mas nosso Universo está se expandindo, e tem se expandido por todo esse tempo. Na verdade, ele se expandiu mais rápido no passado, porque havia mais matéria e energia em uma determinada região do espaço antes que o Universo se expandisse em uma quantidade tão grande. Com a combinação que temos de matéria, radiação e energia escura em nosso Universo, a luz que está chegando hoje chega até nós após uma jornada de 13,8 bilhões de anos, mas esses objetos estão agora a 46 bilhões de anos-luz de distância. O Universo não se expandiu mais rápido que a luz; cada objeto no Universo sempre se moveu na velocidade da luz ou abaixo dela. É só que o tecido do próprio espaço – o que você pode considerar que nada é – se expande entre as inúmeras galáxias.
Um gráfico do tamanho/escala do Universo observável versus a passagem do tempo cósmico. Isso é exibido em uma escala log-log, com alguns marcos principais de tamanho/tempo identificados. Observe a era dominada pela radiação inicial, a era dominada pela matéria recente e a era em expansão exponencial atual e futura. (E. SIEGEL)
É muito difícil pensar em um Universo onde o próprio espaço está mudando ao longo do tempo. Convencionalmente, olhamos para um objeto no Universo e o medimos com as ferramentas e técnicas que temos aqui à nossa disposição. Estamos acostumados a interpretar certas medidas de uma maneira específica. Meça quão fraco algo parece ou quão pequeno parece, e com base em seu brilho real ou tamanho conhecido, você pode dizer que deve estar a essa distância. Meça como sua luz mudou de quando foi emitida para quando a observamos, e você pode dizer que é a rapidez com que está se afastando de nós. E se você olhar para os diferentes objetos em diferentes distâncias, você notará que um objeto a mais de 18 bilhões de anos-luz de distância nunca terá a luz que está emitindo agora até nós, pois a expansão do Universo impedirá que ele chegue até nós. mesmo na velocidade da luz.
Nosso primeiro instinto é dizer que nada pode viajar mais rápido que a luz, o que significa que nenhum objeto pode se mover pelo espaço mais rápido do que a velocidade com que a luz pode se mover no vácuo. Mas também é correto dizer que nada pode viajar mais rápido que a luz, pois o tecido do espaço vazio – o próprio nada – não possui um limite para a taxa de sua expansão nem um limite para as distâncias sobre as quais a expansão se aplica. O Universo cresceu para ter cerca de 50 anos-luz de tamanho quando tinha apenas 1 segundo de idade, e ainda assim nem uma única partícula nesse Universo viajou pelo espaço mais rápido que a luz. O nada do espaço simplesmente se expandiu, e essa é a explicação mais simples e consistente para o que observamos.
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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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