Por que nada pode viajar mais rápido que a luz?
 

FísicaFísica das PartículasPor que nada pode viajar mais rápido que a luz?

Diógenes Henrique26 de dezembro de 20172110 min

O físico Roger Rassool analisa como começamos a tentar medir a velocidade da luz e por que ela é finita.

 

De Roger Rassool* para a Cosmos Magazine

Todos nós conhecemos a regra número um do tráfego do universo – nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. E ela é de 299.792.458 m/s. Mas por que é assim?

Antes do ano 1600, a maioria das pessoas presumia que luz se movia instantaneamente. Galileu foi um dos primeiros a pensar que a luz viajava a uma velocidade finita.

Em 1638, ele tentou medi-la. Ele e um assistente subiram no topo de montanhas distantes, com lanternas cobertas. A ideia era que assim que o assistente de Galileu visse o flash, ele descobriria sua lanterna. Galileu mediria então quanto tempo levou para ver o flash de retorno. O experimento fracassou miseravelmente! Para ter sucesso, Galileu seria obrigado a registrar uma diferença de tempo de microssegundos. Ele não tinha tal dispositivo de medição de tempo e o tempo de reação dele seria muito mais lento do que isso.

Audaz, Galileu concluiu que o movimento da luz “se não for instantâneo, é extraordinariamente rápido”.

Mas não muito tempo depois, em 1676, tivemos uma estimativa razoável da velocidade de luz vinda de um jovem astrônomo dinamarquês chamado Ole Römer. Uma das maneiras que os marinheiros no mar verificavam seus relógios era observando o eclipse de Júpiter por sua lua Io. O tempo que Io levava para fazer um circuito completo em torno de Júpiter havia sido medido em 1,769 dias. No entanto, havia um pequeno problema.

Römer observou que o tempo entre os eclipses variavam um pouco dependendo da época do ano. Em momentos quando a Terra estava se afastando de Júpiter, o tempo entre os eclipses de Io aumentava gradualmente; à medida que a Terra se aproximava de Júpiter o tempo diminuía. O efeito cumulativo significava que os tempos previstos poderia conter um erro de mais de dez minutos.

Römer percebeu que suas observações poderiam ser explicadas pela distância variável entre Júpiter e Io, e a Terra. Os tempos diferentes para a órbita de Io refletia as diferentes distâncias que a luz tinha que viajar. Isso também permitiu que Römer estimasse a velocidade da luz como 214.000 km/s. Nada mal!

Eclipse de Io e a velocidade da luzA primeira medição experimental da velocidade da luz veio 150 anos depois com Hippolye Fizeau. Ele criou um engenhoso avanço sobre o método de Galileu. Em seu experimento, um feixe de luz foi projetado em uma roda dentada de rotação rápida. Os dentes da engrenagem girando cortavam a luz em pulsos muito curtos. Esses pulsos viajaram cerca de 8 quilômetros até onde Fizeau tinha um espelho alinhado posicionado cuidadosamente. Na viagem de volta, o pulso de luz refletido só poderia chegar até Fizeau pela passagem de volta através de uma das fendas na roda dentada.

Certo. Sabemos que a luz viaja numa velocidade finita. Mas por que ela é finita?

Essa questão deu a Albert Einstein um tempo para pensar. Se a luz tem uma velocidade finita, o que acontece se você prender um facho de luz na frente de um foguete? A luz vinda dessa tocha estaria viajando mais rápido que a velocidade da luz? Einstein, intrigado com essa questão, fez vários “Gedakens” (experimentos mentais) e surgiu com uma ideia maluca: o movimento de um objeto deve de alguma forma deixar o tempo mais lento. O tempo já não era mais uma constante e assim nascia a relatividade.

Muitos experimentos testaram cuidadosamente as previsões de Einstein.

Em 1964, Bill Bertozzi no MIT acelerou elétrons a uma série de velocidades. Ele então mediu sua energia cinética e descobriu que a medida que suas velocidades se aproximavam da velocidade da luz, os elétrons se tornavam mais e mais pesados — até o ponto em que se tornavam tão pesados que era impossível fazê-los ir mais rápido. A velocidade máxima que ele poderia fazer os elétrons viajar antes de se tornarem demasiado pesado para acelerar ainda mais? A velocidade da luz.

Em outro teste crucial, os físicos Joseph Hafele e Richard E. Keating colocaram relógios atômicos de césio superprecisos sincronizados em várias viagens ao redor do mundo em voos comerciais. Após a jornada, todos os relógios em movimento discordaram entre si e com o relógio de referência no laboratório. O tempo correu mais lentamente assim como Einstein previu. Quanto mais rápido algo viaja, mais massivo ele se torna e o tempo passa mais devagar — até você finalmente chegar na velocidade da luz, nesse ponto o tempo para completamente. Então nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. E assim nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz.

A propósito, da próxima vez que você usar seu smartphone esteja ciente que os satélites GPS orbitando a Terra levam em conta a desaceleração do tempo (dilatação do tempo). Desative essas correções relativística e o mundo moderno pode estar perdido para sempre.

*Roger Rassool é um físico de partículas da Universidade de Melbourne. Seus programas de divulgação têm atraído uma nova geração para as maravilhas da física.

Este artigo foi publicado na Cosmos 60 – Dez-janeiro de 2015 com o título Why can’t anything travel faster than light?”.