Por que nada pode viajar mais rápido que a luz?

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Nós sabemos hoje que há um limite cósmico de velocidade, mas até 1600 pensava-se que a luz se movia instantaneamente. Crédito: ALFRED PASIEKA / Science Photo Library.

Por Roger Rassool
Publicado na 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 seu tempo de reação seria muito mais lento do que ele.

Destemido, 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 dos marinheiros no mar verificarem 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. Às vezes, quando a Terra estava se afastando de Júpiter, o tempo entre os eclipses de Io aumentava gradualmente; a medida que se aproximava o tempo diminuía. O efeito cumulativo significava que os tempos previstos poderia conter um erro de mais de 10 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!

050115_Whyisitso_2A 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 para cima 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 lacunas na roda dentada.

Ok. Nós 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 uma tocha 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 trouxe 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 nasceu a relatividade.

Muitas experiências 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 aproximavam-se a velocidade da luz, os elétrons se tornavam mais e mais pesados – até o ponto 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 super-precisos 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.

Aliás, 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 tem atraído uma nova geração para as maravilhas da física.

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