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Como os fótons experimentam o tempo?

O Sol e a Terra da ISS. Enquanto a luz da Terra tem menos de um segundo, a do Sol tem mais de oito minutos. Crédito da imagem: NASA / Estação Espacial Internacional.

Nós os vemos mudar em comprimento de onda, energia e em seus campos elétricos e magnéticos ao longo do tempo. Então, como eles experimentam isso?

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

Viajando na velocidade da luz, os fótons emitidos pelo Sol levam pouco mais de oito minutos para chegar à Terra. A jornada de 150 milhões de km através da extensão do espaço vazio não é obstáculo para essa luz, mas significa que quando olhamos para o Sol, o vemos como era pouco tempo no passado, não como isso é instantaneamente da nossa perspectiva. Se o Sol deixasse de existir agora, não o saberíamos – nem por sua luz, nem por sua gravidade – até oito minutos depois. Mas e do ponto de vista do fóton? Sabemos que, se você viaja perto da velocidade da luz, a teoria da relatividade especial de Einstein entra em ação e o tempo se dilata enquanto os comprimentos se contraem. Os fótons, no entanto, não se movem perto da velocidade da luz, mas sim nela. Então, quanto um fóton emitido pelo Sol envelhece no tempo em que atinge a Terra?

Se sua intuição for apenas dizer oito minutos, eu teria dificuldade em discutir com você. Afinal, é assim que o fóton envelhece para nós. 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 uma quantidade absoluta – isso seria verdade para absolutamente qualquer coisa no Universo: todos, em todos os lugares, experimentariam o tempo passando na mesma velocidade em todas as circunstâncias. Mas se esse fosse o caso, a velocidade da luz não poderia ser uma constante.

Brilhando uma lanterna no escuro. Crédito de imagem: usuário do pixabay StockSnap.

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 a velocidade em que você corre.

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 está parado, 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?

Um relógio de luz movendo-se próximo à velocidade da luz parecerá correr mais devagar em relação a um observador em repouso. Crédito da imagem: John D. Norton, via http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/ .

Claramente, 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 que se algo se move muito rapidamente e depois acende uma lanterna na direção oposta, veríamos que a luz mal se moveria: 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.

A luz, no vácuo, sempre parece se mover na mesma velocidade – a velocidade da luz – independentemente da velocidade do observador. Crédito da imagem: usuário do pixabay Melmak.

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 todos 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.

Uma espaçonave Soyuz, ancorada no compartimento de ancoragem Pirs na Estação Espacial Internacional (ISS), verá seus astronautas retornarem à Terra tendo envelhecido um pouco menos do que permaneceram na Terra devido à dilatação relativística do tempo. Crédito da imagem: NASA.

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 pouco menos de dois nanossegundos à frente do relógio. relógio de lojista! Os efeitos da relatividade, mesmo que sejam pequenos na maioria das circunstâncias, estão sempre em jogo.

A razão é porque as coisas não se movem apenas pelo espaço e não avançam apenas no tempo. É porque espaço e tempo estão ligados como parte de um tecido unificado: o espaço-tempo.

A deformação do espaço-tempo por massas gravitacionais. Crédito da imagem: LIGO/T. Pilha.

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.

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. Crédito das imagens: usuários do Wikimedia Commons Zayani (L) e JRobbins59 (R).

Se você se move rapidamente pelo espaço de um certo ponto de vista, você se move em menos tempo: é por isso que quando você caminhava até a loja, sua jornada no tempo era cerca de 2 nanossegundos a menos que a do lojista: você se movia pelo espaço mais rapidamente do que ela fez, e então você se moveu no tempo um pouco menos do que ela. Se você se movesse mais rápido, seu relógio estaria ainda mais adiantado. Na verdade, se você se movesse muito perto da velocidade da luz – se você se movesse a 99,9999999% da velocidade da luz naquela jornada até a loja – não importa a distância da loja, o lojista veria isso 22.000 vezes mais tempo passou para ela como 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 . StarStrider, um programa de planetário 3D relativístico da FMJ-Software, foi usado para produzir as ilustrações de Orion.

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.

A distância Terra-Sol leva um pouco mais de oito minutos para a luz atravessar da nossa perspectiva. Mas da perspectiva de um fóton, a jornada é 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 aqueles 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.

O Hubble eXtreme Deep Field (XDF), a visão mais profunda do Universo distante já obtida. Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.

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.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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