Nada pode ir mais rápido que a luz

A velocidade da luz no vácuo é definida como uma constante universal de valor 299.792.458 m / s (normalmente é arredondada para 300 mil quilômetros por segundo). É designado com o símbolo c (do latim celéritās , que significa velocidade ou velocidade). Em espaços não vazios, a velocidade da luz é menor, pois é afetada pelas características eletromagnéticas do meio e pelo índice de refração. Essa velocidade não é apenas a da luz, mas é a velocidade de propagação no vácuo de toda radiação eletromagnética .

A velocidade da luz foi estabelecida por Albert Eintein na Teoria da Relatividade Especial , publicada em 1905. Einstein passou a chamar a velocidade da luz de “a velocidade limite do Universo”, a velocidade que nada pode ultrapassar. Em setembro de 2011, foram publicados os resultados de um experimento no qual foram observados neutrinos se movendo a uma velocidade maior que a constante c, questionando as teorias de Albert Einstein. No entanto, experimentos posteriores refutaram esses dados, e os cientistas revisaram o experimento para descobrir que havia erros em algumas medições. A velocidade da luz ainda é a velocidade teórica máxima atingível por qualquer objeto no Universo.

Por que esse limite?

Na teoria da relatividade especial de Einstein, que lida com o movimento de objetos na ausência de forças gravitacionais, a energia de uma partícula em movimento é definida por esta equação (relação energia-momento ):

Onde m é a massa da partícula medida em repouso, p é o módulo do momento linear ( momento ou momento ) e c é a constante conhecida como a velocidade da luz.

Se resolvermos para E :

Onde v é a velocidade do objeto em um determinado momento.

Da equação acima segue que E tende ao infinito quando v se aproxima da velocidade da luz , já que o denominador tenderia a zero. Em outras palavras, seria necessária uma energia infinita para acelerar uma partícula de massa em repouso m até que ela atingisse uma velocidade v igual à velocidade da luz, o que é impossível, pois não podemos contar com uma quantidade infinita de energia.

Isso se deve ao fato de que a massa de uma partícula em repouso e a massa em movimento não é a mesma, mas com o aumento da velocidade, a massa aumenta. Isso significa que cada vez mais energia é necessária para acelerar a partícula e, como foi o caso da energia, se a massa for eliminada da equação anterior, obtemos que a massa tende ao infinito se a velocidade se aproxima da velocidade da luz, e a mover uma partícula de massa infinita exigiria energia infinita. Ou seja, não haveria energia suficiente em todo o Universo para atingir essa aceleração e, portanto, nada pode ir mais rápido que a luz, mesmo igualando essa velocidade seria impossível para uma partícula com massa associada.

Por outro lado, na teoria da relatividade especial de Einstein, o tempo e o espaço são magnitudes relativas. À medida que a velocidade aumenta, o tempo se expande e o espaço se contrai . Na velocidade da luz, o tempo para, ultrapassar a velocidade da luz significaria tornar o tempo mais lento do que “parado”, o que é impossível ou possível se pensarmos no tempo ao contrário.

O tempo para quando se viaja à velocidade da luz implica que se mover nessa velocidade entre quaisquer dois pontos requer exatamente zero segundos, não importa quão distantes eles estejam. Quando um observador da Terra, movendo-se a uma velocidade muito inferior à da luz, mede o tempo que leva para um fóton chegar à Terra vindo de uma das estrelas do sistema Alpha Centauri , ele chegará ao resultado de 4,37 anos. luz. Porém, do ponto de vista do fóton viajando na velocidade da luz, essa viagem leva exatamente zero segundos, é instantânea. Se o observador também viajasse na velocidade da luz com o fóton, ele não observaria nenhum movimento, o fóton ficaria estático em relação ao observador, o que mostra o que relativo da Teoria da Relatividade.

Por que a luz pode viajar nessa velocidade?

Se uma partícula está em repouso, seu momento é zero e a equação que relaciona energia e momento é reduzida a:

Por outro lado, se uma partícula não tem massa associada, a equação pode ser reduzida a:

Esta última situação é a que se aplica às ondas eletromagnéticas, uma vez que não possuem massa associada. Sua energia seria devida unicamente ao seu movimento .

Cada partícula do Universo, incluindo os fótons, se move através do chamado campo de Higgs . A interação das partículas com o campo de Higgs é o que gera a massa de cada partícula e sua magnitude depende da intensidade dessa interação. Os fótons se movem pelo campo de Higgs, mas não interagem com ele . Portanto, os fótons são partículas sem massa e, no vácuo, podem se mover livremente na velocidade máxima possível , que de acordo com as equações e estudos empíricos de Einstein, é igual à constante c que conhecemos como velocidade da luz.

Na Teoria da Relatividade Geral, na qual Einstein introduziu os campos gravitacionais, o limite de velocidade é mantido e os grávitons, partículas sem massa que carregam a gravidade, também se propagam na velocidade c no espaço vazio. Se o Sol desaparecesse, a Terra continuaria em sua órbita ao redor do Sol por 8 minutos e 19 segundos, que é o tempo que a luz leva para viajar da superfície do Sol até a Terra.

Mais rápido do que a luz, ¿possível?

Comunicação e movimento mais rápido que a luz (em espanhol Mais Rápido que a Luz) refere-se à propagação de informações e movimento em velocidades maiores que c . Geralmente é abreviado com a sigla FTL e é chamado de fenômeno superluminal .

No arcabouço da Relatividade Especial, como explicado acima, uma quantidade infinita de energia é necessária para acelerar uma partícula com massa movendo-se em velocidades subluminais até que atinja a velocidade da luz. Apesar disso, a Relatividade Especial não proíbe o movimento mais rápido que a luz e o próprio Einstein nunca o negou, muito pelo contrário. De acordo com a Relatividade Especial, se considerarmos o movimento linear no vácuo, existem partículas que sempre se movem a velocidades subluminais, partículas que sempre se movem na velocidade da luz e também haveria partículas que sempre se movem a velocidades maiores que a velocidade da luz. .

A partir da relação energia-momento, chegou-se a:

Deduziu-se que, para uma partícula com massa maior que zero, v nunca poderia ser igual a c , pois o denominador se tornaria zero. Essas partículas (partícula massiva ou tardion , por exemplo o elétron) seriam as que sempre se movem a velocidades subluminosas. As partículas de massa zero ( partícula não massiva ou luxon , por exemplo o fóton) seriam aquelas que sempre se movem na velocidade da luz.

E se v for maior que c ? Bem, o denominador seria um número imaginário e para a energia permanecer real, a massa da partícula também teria que ser um número imaginário. Essas partículas de massa “imaginárias” são conhecidas como táquions e sempre se movem no vácuo a velocidades superluminais . No entanto, os táquions são considerados partículas hipotéticas que não foram verificadas, mas também não foram refutadas.

No contexto da Relatividade Geral, em que os campos gravitacionais entram em jogo, viajar mais rápido do que a luz seria possível nos chamados buracos de minhoca e na métrica de Alcubierre . Em nenhum caso, um objeto se moveria localmente em velocidades superluminais, mas levaria menos tempo para se mover entre dois pontos do que a luz faria fora desses fenômenos. Por isso se diz que são fenômenos aparentemente superlumínicos . Por exemplo, uma nave espacial em um buraco de minhoca iria mais devagar que a luz, mas chegaria ao seu destino mais cedo do que viajar na velocidade da luz para fora do buraco de minhoca. Isso é possível devido à deformação do tecido do espaço-tempo.

Um fenômeno observado empiricamente e que não se limita à velocidade da luz é o emaranhamento quântico . O emaranhamento quântico é uma propriedade prevista por Einstein, Podolsky e Rosen em 1935 no que é conhecido como paradoxo EPR e é um termo introduzido naquele mesmo ano por Erwin Schrödinger que hoje é proposto por muitos cientistas como a origem do próprio tempo. Este fenômeno da mecânica quântica deriva do fato de que o estado quântico de um sistema inteiro envolve os estados quânticos das partículas que o formam; assim, se uma partícula muda seu estado quântico, ela tem um efeito instantâneo em todas as outras partículas do sistemaindependentemente da distância entre eles. Por exemplo, o spin de duas partículas quânticas emaranhadas deve ser oposto; se o spin de um deles é alterado, o spin do outro muda instantaneamente.

As informações do estado quântico são transferidas instantaneamente, mas ainda não foram utilizadas para a transmissão de energia ou matéria em velocidades superiores à velocidade da luz, ou seja, não foi possível transmitir informações clássicas úteis por meio do emaranhamento quântico . O que se conseguiu é a conjugação com canais clássicos de informação na tecnologia conhecida como teletransporte quântico, base do desenvolvimento da computação quântica.