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Só há uma maneira de vencer a velocidade da luz

Aqui, um cristal de calcita é atingido com um laser operando a 445 nanômetros, fluorescente e exibindo propriedades de birrefringência. Ao contrário da imagem padrão da luz se dividindo em componentes individuais devido aos diferentes comprimentos de onda que compõem a luz, a luz de um laser está na mesma frequência, mas as diferentes polarizações se dividem. (JAN PAVELKA/CONCURSO DE FOTOGRAFIA DE CIÊNCIAS EUROPEIAS 2015)

Se você não pode superá-lo no vácuo, tente fazê-lo em um meio.

Em nosso Universo, existem algumas regras que tudo deve obedecer. Energia, momento e momento angular são sempre conservados sempre que dois quanta interagem. A física de qualquer sistema de partículas avançando no tempo é idêntica à física desse mesmo sistema refletido em um espelho, com partículas trocadas por antipartículas, onde a direção do tempo é invertida. E há um limite máximo de velocidade cósmica que se aplica a todos os objetos: nada pode exceder a velocidade da luz, e nada com massa pode atingir essa velocidade.

Ao longo dos anos, as pessoas desenvolveram esquemas muito inteligentes para tentar contornar este último limite. Teoricamente, eles introduziram os táquions como partículas hipotéticas que podem exceder a velocidade da luz, mas os táquions precisam ter massas imaginárias e não existem fisicamente. Dentro da Relatividade Geral, o espaço suficientemente deformado poderia criar caminhos alternativos e encurtados sobre o que a luz deve atravessar, mas nosso Universo físico não tem buracos de minhoca conhecidos. E enquanto o emaranhamento quântico pode criar ação assustadora à distância , nenhuma informação é transmitida mais rápido que a luz.

Mas há uma maneira de vencer a velocidade da luz: entrar em qualquer meio que não seja um vácuo perfeito. Aqui está a física de como funciona.

A luz nada mais é do que uma onda eletromagnética, com campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase perpendiculares à direção de propagação da luz. Quanto menor o comprimento de onda, mais energético é o fóton, mas mais suscetível ele é a mudanças na velocidade da luz através de um meio. (AND1MU / WIKIMEDIA COMMONS)

A luz, você tem que lembrar, é uma onda eletromagnética. Claro, ele também se comporta como uma partícula, mas quando estamos falando sobre sua velocidade de propagação, é muito mais útil pensar nele não apenas como uma onda, mas como uma onda de campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase. Quando viaja pelo vácuo do espaço, não há nada que impeça esses campos de viajar com a amplitude que escolheriam naturalmente, definida pela energia, frequência e comprimento de onda da onda. (Que estão todos relacionados.)

Mas quando a luz viaja através de um meio – ou seja, qualquer região onde cargas elétricas (e possivelmente correntes elétricas) estejam presentes – esses campos elétricos e magnéticos encontram algum nível de resistência à sua livre propagação. De todas as coisas que são livres para mudar ou permanecer as mesmas, a propriedade da luz que permanece constante é sua frequência quando se move do vácuo para o meio, de um meio para o vácuo ou de um meio para outro.

Se a frequência permanecer a mesma, no entanto, isso significa que o comprimento de onda deve mudar e, como a frequência multiplicada pelo comprimento de onda é igual à velocidade, isso significa que a velocidade da luz deve mudar à medida que o meio pelo qual você está se propagando muda.

Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Observe como a natureza ondulatória da luz é consistente e uma explicação mais profunda do fato de que a luz branca pode ser dividida em cores diferentes. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS LUCASVB)

Uma demonstração espetacular disso é a refração da luz ao passar por um prisma. A luz branca – como a luz solar – é composta de luz de uma ampla e contínua variedade de comprimentos de onda. Comprimentos de onda mais longos, como a luz vermelha, possuem frequências menores, enquanto comprimentos de onda mais curtos, como a luz azul, possuem frequências maiores. No vácuo, todos os comprimentos de onda viajam na mesma velocidade: a frequência multiplicada pelo comprimento de onda é igual à velocidade da luz. Os comprimentos de onda mais azuis têm mais energia e, portanto, seus campos elétricos e magnéticos são mais fortes do que a luz de comprimento de onda mais vermelha.

Quando você passa essa luz através de um meio dispersivo como um prisma, todos os diferentes comprimentos de onda respondem de forma ligeiramente diferente. Quanto mais energia você tiver em seus campos elétricos e magnéticos, maior será o efeito que eles experimentam ao passar por um meio. A frequência de toda a luz permanece inalterada, mas o comprimento de onda da luz de energia mais alta diminui em uma quantidade maior do que a luz de energia mais baixa.

Como resultado, embora toda a luz viaje mais lentamente através de um meio do que o vácuo, a luz mais vermelha diminui em uma quantidade um pouco menor do que a luz azul, levando a muitos fenômenos ópticos fascinantes, como a existência de arco-íris quando a luz do sol quebra em diferentes comprimentos de onda à medida que passa. através de gotas e gotas de água.

Quando a luz transita do vácuo (ou ar) para uma gota de água, ela primeiro refrata, depois reflete na parte de trás e, finalmente, refrata de volta ao vácuo (ou ar). O ângulo que a luz que entra faz com a luz que sai sempre atinge um ângulo de 42 graus, explicando por que os arco-íris sempre fazem o mesmo ângulo no céu. (KES47 / WIKIMEDIA COMMONS / DOMÍNIO PÚBLICO)

No vácuo do espaço, no entanto, a luz não tem escolha - independentemente de seu comprimento de onda ou frequência - a não ser viajar a uma velocidade e apenas uma velocidade: a velocidade da luz no vácuo. Esta é também a velocidade que qualquer forma de radiação pura, como a radiação gravitacional, deve viajar, e também a velocidade, sob as leis da relatividade, que qualquer partícula sem massa deve viajar.

Mas a maioria das partículas no Universo tem massa e, como resultado, elas precisam seguir regras ligeiramente diferentes. Se você tem massa, a velocidade da luz no vácuo ainda é seu limite máximo de velocidade, mas em vez de ser obrigado a viajar a essa velocidade, é um limite que você nunca pode atingir; você só pode abordá-lo.

Quanto mais energia você coloca em sua partícula massiva, mais ela pode se aproximar da velocidade da luz, mas sempre deve viajar mais devagar. As partículas mais energéticas já feitas na Terra, que são prótons no Grande Colisor de Hádrons, podem viajar incrivelmente perto da velocidade da luz no vácuo: 299.792.455 metros por segundo, ou 99,999999% da velocidade da luz.

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))

Não importa quanta energia injetamos nessas partículas, só podemos adicionar mais 9s à direita dessa casa decimal. Nunca podemos atingir a velocidade da luz.

Ou, mais precisamente, nunca podemos atingir a velocidade da luz no vácuo . Ou seja, o limite de velocidade cósmica final, de 299.792.458 m/s é inatingível para partículas massivas, e simultaneamente é a velocidade que todas as partículas sem massa devem viajar.

Mas o que acontece, então, se viajarmos não pelo vácuo, mas por um meio? Acontece que, quando a luz viaja através de um meio, seus campos elétricos e magnéticos sentem os efeitos da matéria pela qual passam. Isso tem o efeito, quando a luz entra em um meio, de mudar imediatamente a velocidade com que a luz viaja. É por isso que, quando você observa a luz entrar ou sair de um meio, ou fazer a transição de um meio para outro, ela parece se curvar. A luz, embora livre para se propagar irrestritamente no vácuo, tem sua velocidade de propagação e seu comprimento de onda fortemente dependentes das propriedades do meio que atravessa.

Luz passando de um meio desprezível através de um meio denso, exibindo refração. A luz vem do canto inferior direito, atinge o prisma e reflete parcialmente (topo), enquanto o restante é transmitido através do prisma (centro). A luz que passa pelo prisma parece se curvar, pois viaja a uma velocidade mais lenta do que a luz que viajava pelo ar antes. Quando ressurgiu do prisma, ele refrata mais uma vez, retornando à sua velocidade original. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO SPIGGET)

No entanto, as partículas sofrem um destino diferente. Se uma partícula de alta energia que estava originalmente passando pelo vácuo de repente se encontra viajando através de um meio, seu comportamento será diferente do da luz.

Em primeiro lugar, ele não experimentará uma mudança imediata no momento ou na energia, pois as forças elétricas e magnéticas que atuam sobre ele – que mudam seu momento ao longo do tempo – são insignificantes em comparação com a quantidade de momento que ele já possui. Em vez de se curvar instantaneamente, como a luz parece, suas mudanças de trajetória só podem ocorrer de maneira gradual. Quando as partículas entram pela primeira vez em um meio, elas continuam se movendo com aproximadamente as mesmas propriedades, incluindo a mesma velocidade, como antes de entrar.

Em segundo lugar, os grandes eventos que podem mudar a trajetória de uma partícula em um meio são quase todos interações diretas: colisões com outras partículas. Esses eventos de espalhamento são tremendamente importantes em experimentos de física de partículas, pois os produtos dessas colisões nos permitem reconstruir o que quer que tenha ocorrido no ponto de colisão. Quando uma partícula em movimento rápido colide com um conjunto de partículas estacionárias, chamamos esses experimentos de alvo fixo, e eles são usados ​​em tudo, desde a criação de feixes de neutrinos até o surgimento de partículas de antimatéria que são críticas para explorar certas propriedades da natureza.

Aqui, um feixe de prótons é disparado em um alvo de deutério no experimento LUNA. A taxa de fusão nuclear em várias temperaturas ajudou a revelar a seção transversal deutério-próton, que era o termo mais incerto nas equações usadas para calcular e entender as abundâncias líquidas que surgiriam no final da Nucleossíntese do Big Bang. Experimentos de alvo fixo têm muitas aplicações na física de partículas. (COLABORAÇÃO LUNA/GRAN SASSO)

Mas o fato mais interessante é este: partículas que se movem mais devagar que a luz no vácuo, mas mais rápido que a luz no meio em que entram, na verdade estão quebrando a velocidade da luz. Esta é a única maneira real e física que as partículas podem exceder a velocidade da luz. Eles nunca podem exceder a velocidade da luz no vácuo, mas podem ultrapassá-la em um meio. E quando o fazem, algo fascinante ocorre: um tipo especial de radiação — Radiação Cherenkov — é emitido.

Nomeado para o seu descobridor, Pavel Cherenkov , é um daqueles efeitos físicos que foram observados pela primeira vez experimentalmente, antes mesmo de serem previstos. Cherenkov estava estudando amostras radioativas que haviam sido preparadas e algumas delas estavam sendo armazenadas em água. As preparações radioativas pareciam emitir uma luz fraca e azulada, e mesmo que Cherenkov estivesse estudando luminescência – onde os raios gama excitariam essas soluções, que então emitiriam luz visível quando desexcitadas – ele foi rapidamente capaz de concluir que esta luz tinha uma direção preferida. Não era um fenômeno fluorescente, mas algo completamente diferente.

Hoje, esse mesmo brilho azul pode ser visto nos tanques de água ao redor dos reatores nucleares: radiação Cherenkov.

Reator nuclear experimental RA-6 (República Argentina 6), em marcha, mostrando a característica radiação Cherenkov das partículas mais rápidas que a luz na água emitidas. Como essas partículas viajam mais rápido do que a luz nesse meio, elas emitem radiação para liberar energia e momento, o que continuarão a fazer até cair abaixo da velocidade da luz. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

De onde vem essa radiação?

Quando você tem uma partícula muito rápida viajando através de um meio, essa partícula geralmente será carregada, e o próprio meio é composto de cargas positivas (núcleos atômicos) e negativas (elétrons). A partícula carregada, à medida que viaja por esse meio, tem a chance de colidir com uma das partículas lá dentro, mas como os átomos são principalmente espaços vazios, as chances de uma colisão são relativamente baixas em distâncias curtas.

Em vez disso, a partícula tem um efeito no meio pelo qual ela viaja: faz com que as partículas no meio se polarizem – onde cargas semelhantes se repelem e cargas opostas se atraem – em resposta à partícula carregada que está passando. Uma vez que a partícula carregada está fora do caminho, no entanto, esses elétrons retornam ao seu estado fundamental e essas transições causam a emissão de luz. Especificamente, eles causam a emissão de luz azul em forma de cone, onde a geometria do cone depende da velocidade da partícula e da velocidade da luz nesse meio específico.

Esta animação mostra o que acontece quando uma partícula carregada relativística se move mais rápido que a luz em um meio. As interações fazem com que a partícula emita um cone de radiação conhecido como radiação Cherenkov, que depende da velocidade e da energia da partícula incidente. Detectar as propriedades desta radiação é uma técnica extremamente útil e difundida na física de partículas experimental. (VLASTNI DILO / H. SELDON / DOMÍNIO PÚBLICO)

Esta é uma propriedade extremamente importante na física de partículas, pois é exatamente esse processo que nos permite detectar o neutrino indescritível. Os neutrinos quase nunca interagem com a matéria. No entanto, nas raras ocasiões em que o fazem, eles apenas transmitem sua energia a uma outra partícula.

O que podemos fazer, portanto, é construir um enorme tanque de líquido muito puro: líquido que não se decompõe radioativamente nem emite outras partículas de alta energia. Podemos protegê-lo muito bem dos raios cósmicos, da radioatividade natural e de todo tipo de outras fontes contaminantes. E então, podemos forrar a parte externa desse tanque com os chamados tubos fotomultiplicadores: tubos que podem detectar um único fóton, desencadeando uma cascata de reações eletrônicas que nos permitem saber de onde, quando e em que direção um fóton veio.

Com detectores grandes o suficiente, podemos determinar muitas propriedades sobre cada neutrino que interage com uma partícula nesses tanques. A radiação Cherenkov resultante, produzida desde que a partícula chutada pelo neutrino exceda a velocidade da luz nesse líquido, é uma ferramenta incrivelmente útil para medir as propriedades dessas partículas cósmicas fantasmagóricas.

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação de Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos e aproveitando o uso da radiação de Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. (COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE)

A descoberta e compreensão da radiação Cherenkov foi revolucionária em muitos aspectos, mas também levou a uma aplicação assustadora nos primeiros dias de experimentos de física de partículas em laboratório. Um feixe de partículas energéticas não deixa assinatura óptica enquanto viaja pelo ar, mas causará a emissão dessa luz azul se passar por um meio em que viaja mais rápido que a luz nesse meio. Os físicos costumavam fechar um olho e enfiar a cabeça no caminho da viga; se o feixe estivesse ligado, eles veriam um flash de luz devido à radiação Cherenkov gerada em seus olhos, confirmando que o feixe estava ligado. (Desnecessário dizer que esse processo foi descontinuado com o advento do treinamento de segurança contra radiação.)

Ainda assim, apesar de todos os avanços que ocorreram na física ao longo das gerações intermediárias, a única maneira que conhecemos de vencer a velocidade da luz é encontrar um meio onde você possa diminuir a velocidade dessa luz. Só podemos exceder essa velocidade em um meio e, se o fizermos, esse brilho azul revelador – que fornece uma tremenda quantidade de informações sobre a interação que deu origem a ele – é nossa recompensa rica em dados. Até que warp drive ou tachyons se tornem realidade, o brilho Cherenkov é o caminho número 1 a seguir!

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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