• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Como um fóton experimenta o universo?

Nesta representação artística, um blazar está acelerando prótons que produzem píons, que produzem neutrinos e raios gama. Fótons também são produzidos. Embora você possa não pensar muito na diferença entre partículas que se movem na velocidade da luz e aquelas que se movem a 99,99999% da velocidade da luz, as próprias partículas têm duas experiências muito diferentes do Universo sob essas duas condições díspares. (ICECUBE/NASA)

Se você acha que tem problemas hoje, fique feliz por não estar se movendo na velocidade da luz.

A relatividade especial, mesmo tendo mais de 100 anos, ainda é uma das descobertas mais intrigantes e desconcertantes sobre a natureza do próprio Universo. As leis (newtonianas) da física com as quais estamos acostumados aqui na Terra permanecem válidas em quase todas as condições, mas não se você estiver se aproximando da velocidade da luz. Os relógios funcionam em taxas diferentes, as distâncias parecem alteradas e os próprios objetos mudam de cor dependendo de sua velocidade em relação a você. No entanto, ao mesmo tempo, a relatividade declara que as leis da física são as mesmas e invariáveis ​​para todos os observadores, independentemente de seu movimento. Então, o que isso significa para um fóton, que se move na velocidade da luz? Apoiador do Patreon Rob Hansen quer saber, perguntando:

A relatividade diz que todos os referenciais inerciais são igualmente válidos e verdadeiros. Do ponto de vista de um fóton, todo o cosmos é achatado em um plano bidimensional atemporal. Imagine que eu coloque uma maçã na minha mesa e, um pouco depois, a substitua por uma banana. Como o fóton percebe minha mesa, quando está toda achatada em um plano sem nenhuma noção de tempo?

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Vamos imaginar o que acontece em três casos: para alguém em repouso, para alguém movendo-se perto da velocidade da luz, e então esse último salto, para o próprio fóton.

Astronautas e frutas, a bordo da Estação Espacial Internacional. Observe que a gravidade não está desligada, mas que tudo – incluindo a espaçonave – é uniformemente acelerado, resultando em uma experiência de gravidade zero. A ISS é um exemplo de referencial inercial. (IMAGEM DE DOMÍNIO PÚBLICO)

1.) Um observador em repouso . Lá está você, em repouso em relação ao seu entorno, olhando para o Universo diante de você. Seu relógio passa no mesmo ritmo de sempre: um segundo por segundo. Você olha para o seu ambiente e os relógios que vê estão todos funcionando na mesma velocidade que o seu: um segundo por segundo. Os objetos parecem ter as cores que realmente são, os tamanhos que realmente são, e nada se comporta de forma contraintuitiva. Quer você olhe para trás ou à sua frente, tudo parece exatamente como deveria.

Esta é a sua experiência convencional com o mundo. Aqui na Terra, as velocidades humanas típicas são minúsculas em comparação com a velocidade da luz. Mesmo a bordo de um avião se movendo quase à velocidade do som, você está viajando apenas a 0,0001% da velocidade da luz. De uma posição em repouso em relação ao seu entorno, você vê o Universo tridimensional de uma maneira consistente para todos.

Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para um observador. Mesmo a teoria da relatividade especial, com todas as evidências experimentais, nunca pode ser comprovada, mas pode ser testada e validada ou falsificada. Essas regras só funcionam para dois observadores no mesmo “evento” no espaço e no tempo. (JOÃO D. NORTON)

2.) Um observador se movendo próximo à velocidade da luz . Aqui é onde as coisas começam a ficar estranhas. Imagine que você está viajando perto da velocidade da luz, em uma direção específica, em relação ao seu ambiente estacionário. A primeira diferença que você notaria é em termos de tempo. O relógio viajando com você ainda viajaria na mesma taxa que você estava acostumado: um segundo por segundo. Mas os relógios no ambiente? Todos eles parecem correr devagar.

A razão para isso é simples: espaço e tempo não são entidades independentes, mas inextricavelmente inter-relacionadas. Cada objeto no Universo se move através do espaço-tempo de modo que seu movimento total soma um certo valor. Quando você está parado em relação ao espaço, seu movimento é 100% ao longo do tempo, e o tempo passa para todos a um segundo por segundo. Mas quando você aumenta seu movimento através do espaço, você diminui seu movimento através do tempo. Em relação a você, os relógios do ambiente parecem estar lentos, porque todo o ambiente parece estar se movendo.

O tempo de viagem para uma espaçonave chegar a um destino se acelerar a uma taxa constante igual à aceleração da gravidade da superfície da Terra. Observe que, com tempo suficiente, você pode ir a qualquer lugar. (P. FRAUNDORF NA WIKIPEDIA)

Mover-se em altas velocidades em relação ao seu ambiente tem vários outros efeitos que você também experimenta. Comprimentos e distâncias são contraídos ao longo de sua direção de movimento, que é um requisito semelhante da relatividade. Como a velocidade da luz deve ser invariável para todos os observadores em todos os referenciais, se o tempo parece passar mais devagar (há menos tempo), então as distâncias precisam se contrair (é preciso haver menos distância) para que a velocidade da luz permanece constante.

Além da contração do comprimento e da dilatação do tempo, há ainda outro efeito que entra em jogo: redshift e blueshift. Na direção em que você está se movendo – ou, alternativamente, na direção em que o ambiente parece estar se movendo em sua direção – o comprimento de onda da luz parece comprimido ou mais curto e azul. Na direção oposta, qualquer luz que você receber parecerá esticada, com comprimentos de onda mais longos e cores mais vermelhas.

Um objeto movendo-se próximo à velocidade da luz verá o Universo externo a ele como redshifted ou blueshifted, dependendo de seu movimento aparente em relação ao observador. As ondas de luz são comprimidas (deslocadas para o azul) na direção do movimento e esticadas (deslocadas para o vermelho) em oposição à direção do movimento. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO TXALIEN)

Quanto mais rápido você se move, piores esses efeitos ficam. Distâncias de objetos físicos se contraem cada vez mais severamente, e até mesmo os campos elétricos produzidos por partículas carregadas se contraem ao longo de sua direção de movimento. O tempo dilata mais severamente; partículas instáveis ​​produzidas em nossa atmosfera superior (múons) podem viajar os 100 quilômetros completos até a superfície da Terra, mesmo que sua vida útil de 2,2 microssegundos indique que eles não deveriam chegar nem 1 quilômetro se estivessem se movendo na velocidade da luz. E os desvios para o vermelho e para o azul são tão severos em velocidades ultra-altas que mesmo os fótons que sobraram do Big Bang, com uma energia correspondente a apenas 3 K no momento, podem produzir espontaneamente novas partículas quando colidem com prótons via E = mc2 em blueshifts suficientemente altos.

Esses efeitos de dilatação do tempo, contração do comprimento e redshift/blueshift ficam mais graves quanto mais próximo da velocidade da luz você chega. Mas há um limite.

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))

3.) Um observador se movendo na velocidade da luz . É aqui que começa o verdadeiro problema. Se você simplesmente tomasse progressivamente mais e mais passos em direção à velocidade da luz, apenas experimentaria quantidades mais severas de dilatação do tempo, contração do comprimento e desvios para o vermelho e para o azul em relação a você. As maçãs apareceriam amarelas, azuis e depois ultravioletas à medida que você se aproximasse delas; as bananas apareceriam em laranja, vermelho e depois em infravermelho à medida que você se afastasse delas.

Mas se você realmente atingisse a velocidade da luz – que você experimentaria se fosse um fóton – o tempo e o espaço não se comportariam mais como você estava acostumado a eles se comportarem. Se você se moveu na velocidade da luz em relação ao seu entorno, então o seu entorno parece não ter passagem de tempo em relação a você. Como seu movimento parece estar na velocidade da luz, não pode haver movimento adicional permitindo que um fóton se mova em relação ao seu entorno: um relógio seria impossível.

Todos os fótons, e de fato todas as partículas sem massa, movem-se à velocidade da luz. Se você visse algo se movendo na velocidade da luz em relação a você, seu relógio pareceria congelado, pois nenhum tempo poderia passar para ele. Outro fóton, viajando com ele, nunca poderia se mover em relação a ele de uma maneira que qualquer um dos fótons pudesse experimentar. (NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET)

Todas as equações da relatividade especial se desfazem na velocidade da luz. O tempo não passa para o seu entorno. Todas as distâncias ao longo do seu contrato de direção de movimento são reduzidas a zero. Redshifts e blueshifts ocorrem em quantidades infinitas.

Pode ser muito tentador intuir, com base nisso, que desde que as distâncias ao longo de sua direção de movimento se contraem a zero, o Universo se torna bidimensional para você. Esse tempo não passa – por isso é atemporal – e pareceria apenas como um avião: com contração de comprimento infinito. E, portanto, que um fóton, vendo você substituir uma maçã por uma banana em sua mesa, experimentaria a presença de ambas ao mesmo tempo.

Mas o que acontece na realidade é, talvez, ainda mais surpreendente.

A produção de pares matéria/antimatéria (esquerda) a partir de energia pura é uma reação completamente reversível (direita), com matéria/antimatéria aniquilando de volta à energia pura. Sempre que um fóton existe, ele tem uma interação que o cria e uma interação que o destrói, muitas vezes (mas nem sempre) resultando em mais um fóton. No entanto, para o próprio fóton, sua criação e destruição acontecem instantaneamente; não pode experimentar mais nada. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERSIDADE DE ALBERTA)

Um fóton não pode ver ou experimentar nada, como se vê. É verdade que o tempo não passa por um fóton: na relatividade, ele representa o que chamamos de nulo geodésico . Ele viaja de seu ponto de origem ao seu ponto de terminação: de onde uma interação o cria (ou emite) para onde outra interação o destrói (ou absorve). Isso é exatamente o que acontece, seja emissão/absorção, emissão/reflexão, uma interação de espalhamento ou qualquer tipo de interação com outra partícula.

Quando você pergunta o que um fóton veria, está assumindo que é possível que algo interaja com um fóton e que o fóton experimente essa interação de alguma forma. No entanto, tudo o que ela experimenta são duas coisas durante sua existência: a interação que a cria e a interação que a destrói. Se há um fóton que persiste após a destruição, como por espalhamento ou reflexão, é irrelevante. Tudo o que um fóton experimenta são esses dois eventos nos pontos finais da jornada do fóton.

Fontes distantes de luz – mesmo do fundo cósmico de micro-ondas – devem passar por nuvens de gás. Embora pudéssemos calcular redshifts e blueshifts, absorção e emissão e outras propriedades como o tempo de viagem da luz a partir de um referencial inercial, não poderíamos fazer nada disso do ponto de vista do fóton. (ED JANSSEN, TI)

É por isso que exigimos que façamos nossos cálculos de relatividade em um referencial inercial. Podemos calcular como um fóton se desloca para o vermelho ou para o azul se usarmos um quadro de referência movendo-se mais lentamente que a velocidade da luz, mas não a partir do quadro de referência do fóton. A partir de um referencial inercial, podemos calcular a distância entre seu ponto de emissão e absorção, mas não a partir do referencial do fóton. Podemos calcular seu tempo de viagem da luz, a partir de qualquer referencial inercial, mas não do referencial do fóton.

O problema é que o referencial do fóton não é um referencial inercial: em um referencial inercial, existem leis físicas que não dependem do movimento de nada externo ao sistema. No entanto, para um fóton, as regras físicas que ele obedece dependem exclusivamente de tudo o que acontece fora dele. Você não pode calcular nada significativo para ele apenas a partir do quadro de referência do fóton.

Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós e mais sua luz parece desviada para o vermelho. Uma galáxia se movendo com o Universo em expansão estará a um número ainda maior de anos-luz de distância, hoje, do que o número de anos (multiplicado pela velocidade da luz) que a luz emitida por ela levou para chegar até nós. Mas só podemos calcular redshifts e blueshifts a partir de um referencial inercial. Se você tentar fazer isso a partir do quadro de referência do fóton, perceberá rapidamente que seus cálculos produzem apenas tolices. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)

Isso ocorre porque os fótons – e todas as partículas que viajam na velocidade da luz – não possuem massa de repouso. Essa massa de repouso é o que é necessário para viver em um referencial inercial: massa e como essa massa é distribuída nos fornecem nossa definição de inércia ! Um fóton não pode ver o Universo, porque ver requer interagir com outras partículas, antipartículas ou fótons, e uma vez que essa interação ocorre, a jornada desse fóton agora termina.

De acordo com qualquer fóton, sua existência é instantânea. Ele passa a existir com uma interação e desaparece com outra interação. Isso pode ser a emissão de uma estrela ou galáxia distante e sua chegada ao seu olho, e não importa se é do nosso próprio Sol ou de um objeto a dezenas de bilhões de anos-luz de distância. Quando você se move na velocidade da luz, o tempo deixa de passar e sua vida dura apenas um instante.

Os físicos costumam brincar que o tempo é o que temos para evitar que tudo aconteça ao mesmo tempo. Mas a verdadeira piada está em qualquer objeto que seja tão infeliz para experimentar o Universo na velocidade da luz. Se você fosse tão azarado, você não veria, ouviria ou sentiria nada. Você não seria capaz de experimentar a existência.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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