• ciência dura

Como é ser um fóton viajando na velocidade da luz?

• A relatividade especial de Einstein descreve como, à medida que um objeto se aproxima da velocidade da luz, o tempo diminui e as distâncias diminuem.
• Um fóton, movendo-se à velocidade da luz, perceberia sua jornada como instantânea, existindo em todos os lugares ao mesmo tempo.
• Do ponto de vista de um fóton, o Universo é atemporal e sem dimensões.

Entre os cientificamente esclarecidos, há uma afirmação frequentemente repetida que diz que você não pode ir mais rápido que a velocidade da luz. E esta afirmação parece ser verdadeira: apesar dos esforços heróicos, ninguém foi capaz de exceder o limite de cerca de 186.000 milhas por segundo (300.000 km/s) – rápido o suficiente para dar a volta na Terra 7,5 vezes em um único segundo.

Para velocidades mais lentas - incluindo até 99,999999% a velocidade da luz — temos uma compreensão muito boa de como a matéria se move graças à teoria da relatividade especial de Einstein, que a descreve com muita precisão. Mas e em exatamente A velocidade da luz? O que a própria luz experimenta? Para antropomorfizar um pouco, como um fóton de luz “vê” o tempo e o espaço?

previsões estranhas

Vamos começar com o que a relatividade diz: em velocidades mais lentas que a da luz, as equações de Einstein fazem previsões de comprimento e duração que são pelo menos fisicamente possíveis. E em velocidades mais rápidas que a luz, as equações fazem previsões completamente sem sentido e não físicas. Mas exatamente na velocidade da luz, infinitos aparecem nas equações; infinitos não são físicos, então isso significa que as equações não funcionam para essa velocidade.

Essa é a primeira mensagem importante: as equações de espaço e tempo de Einstein na verdade não se aplicam a objetos que se movem à velocidade da própria luz. No entanto, podemos usar as equações de Einstein para ver o que acontece à medida que nos aproximamos cada vez mais da velocidade da luz. Esta abordagem (chamada limites ) é a base do campo matemático do cálculo e é como os cientistas abordaram essa questão.

A teoria da relatividade especial de Einstein faz muitas previsões contraintuitivas. Talvez o mais difícil de aceitar seja que a maneira como você experimenta o tempo e a distância depende da velocidade com que está indo. Conforme você acelera, o tempo passa mais devagar e os objetos ficam mais curtos. Isso parece impossível, mas os cientistas validaram ambas as previsões.

Viajando perto da velocidade da luz

Então, o que isso significa? Vamos começar vendo quanto tempo levaria para alguém viajar da Terra até a estrela mais próxima (sem contar o Sol). A estrela mais próxima está localizada a cerca de quatro anos-luz de distância, o que significa que uma pessoa sentada na Terra veria que um objeto que se move próximo à velocidade da luz leva quatro anos para chegar lá. No entanto, a relatividade diz que o viajante experimentaria menos tempo.

Vejamos os números. Se alguém fizesse essa viagem a 99% da velocidade da luz, uma pessoa ligada à Terra diria que a viagem durou quatro anos. No entanto, o viajante diria que a viagem durou apenas sete meses. A 99,9% da velocidade da luz, o viajante diria que a viagem durou pouco mais de dois meses.

A velocidade mais rápida já alcançada por pesquisadores em um laboratório foi no laboratório do CERN na Europa, onde os pesquisadores aceleraram elétrons a uma velocidade impressionante de 99,999999999% da velocidade da luz. Suponha que pudéssemos de alguma forma enviar um viajante para a estrela mais próxima nessa velocidade. Quanto tempo a viagem pareceria levar para eles? Apenas tímido de 10 minutos.

Se continuarmos com essa tendência – aumentando a velocidade cada vez mais perto da velocidade da luz – veremos que as equações de Einstein dizem que um fóton experimentaria tempo zero indo da Terra para a estrela mais próxima. Em essência, sairia e chegaria ao mesmo tempo. Além disso, se levasse tempo zero para ir de um lugar a outro, ele existiria simultaneamente em todos os locais intermediários. Para pegar emprestado de um título de filme recente, o fóton seria em todos os lugares ao mesmo tempo .

Velocidades diferentes, experiências diferentes

É importante lembrar que a pessoa ligada à Terra e o fóton têm experiências muito diferentes. A pessoa na Terra vê a viagem durar quatro anos e não vê que a luz é emitida e chega ao mesmo tempo.

Como o fóton de luz experimenta o espaço pode ser determinado usando a mesma abordagem. À medida que um viajante vai cada vez mais rápido, a distância que separa a Terra da estrela distante parece cada vez menor. Onde a pessoa na Terra vê uma distância de quatro anos-luz (24 trilhões de milhas ou 38 trilhões de km), na velocidade mais rápida que a humanidade alcançou, o viajante verá uma distância que é uma pequena fração disso. E, se um viajante hipotético fosse capaz de se mover na velocidade da luz, a distância diminuiria para zero.

Observe que, bem no início deste artigo, alertei que as equações de Einstein não se aplicam à velocidade da luz. No entanto, também vimos o que acontece quando um objeto se aproxima arbitrariamente da velocidade da luz. Acredita-se que esta abordagem forneça uma boa descrição de como um fóton de luz experimenta o espaço e o tempo.

Sobre ser um fóton

O fato de um objeto em movimento experimentar o espaço e o tempo de maneira diferente dos estacionários tem consequências intrigantes. Enquanto nós, humanos, vemos o espaço como vasto – uma fronteira assustadora para domarmos – a experiência é bem diferente para um fóton. Para o fóton, o Universo não tem espessura e não há tempo. É uma perspectiva desconcertante, com certeza, mas é real que ressalta o quão mal nossa intuição descreve as leis da natureza sob condições extremas. O Universo continua a nos surpreender.

Compartilhar: