A teoria da relatividade e a velocidade da luz

Um fato comumente conhecido na física é que você não pode se mover mais rápido que a velocidade da luz. Enquanto isso basicamente verdade, também é uma simplificação excessiva. Debaixo de teoria da relatividade, na verdade, existem três maneiras pelas quais os objetos podem se mover:

• À velocidade da luz
• Mais lento que a velocidade da luz
• Mais rápido que a velocidade da luz

Um dos principais insights que Albert Einstein usado para desenvolver sua teoria da relatividade era que a luz no vácuo sempre se move na mesma velocidade. As partículas de luz, ou fótons, portanto, mova-se à velocidade da luz. Essa é a única velocidade na qual os fótons podem se mover. Eles nunca podem acelerar ou desacelerar. (Nota: Os fótons mudam de velocidade quando passam por diferentes materiais. É assim que ocorre a refração, mas é a velocidade absoluta do fóton no vácuo que não pode mudar.) De fato, toda a bósons mova-se à velocidade da luz, até onde sabemos.

O próximo conjunto principal de partículas (até onde sabemos, todas que não são bósons) se move mais devagar que a velocidade da luz. A relatividade nos diz que é fisicamente impossível acelerar essas partículas com rapidez suficiente para atingir a velocidade da luz. Por que é isso? Na verdade, equivale a alguns conceitos matemáticos básicos.

Como esses objetos contêm massa, a relatividade nos diz que a equação energia cinética do objeto, com base em sua velocidade, é determinado pela equação:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / raiz quadrada de (1 - v²/c²) - m₀c²

Há muita coisa acontecendo na equação acima, então vamos descompactar essas variáveis:

• γ é o fator de Lorentz, que é um fator de escala que aparece repetidamente na relatividade. Indica a alteração em diferentes quantidades, como massa, comprimento e tempo, quando os objetos estão em movimento. Desde a γ = 1 / / raiz quadrada de (1 - v²/c²), é isso que causa a aparência diferente das duas equações mostradas.
• m₀ é a massa restante do objeto, obtida quando a velocidade é 0 em um determinado quadro de referência.
• c é a velocidade da luz no espaço livre.
• v é a velocidade na qual o objeto está se movendo. Os efeitos relativísticos são visivelmente significativos apenas para valores muito altos de v, e é por isso que esses efeitos podem ser ignorados por muito tempo antes de Einstein aparecer.

Observe o denominador que contém a variável v (para velocidade). À medida que a velocidade se aproxima cada vez mais da velocidade da luz (c), que v²/c² prazo vai se aproximar cada vez mais de 1... o que significa que o valor do denominador ("a raiz quadrada de 1 - v²/c²") se aproximará cada vez mais de 0.

À medida que o denominador diminui, a própria energia aumenta cada vez mais, aproximando-se infinidade. Portanto, quando você tenta acelerar uma partícula quase até a velocidade da luz, é preciso mais e mais energia para fazê-lo. Na verdade, acelerar a velocidade da luz demandaria uma quantidade infinita de energia, o que é impossível.

Por esse raciocínio, nenhuma partícula que esteja se movendo mais devagar que a velocidade da luz poderá atingir a velocidade da luz (ou, por extensão, ir mais rápido que a velocidade da luz).

E se tivéssemos uma partícula que se move mais rápido que a velocidade da luz. É mesmo possível?

A rigor, é possível. Tais partículas, chamadas táquions, apareceram em alguns modelos teóricos, mas quase sempre acabam sendo removidas porque representam uma instabilidade fundamental no modelo. Até o momento, não temos evidências experimentais para indicar que existem taquiões.

Se um táquion existisse, ele sempre se moveria mais rápido que a velocidade da luz. Usando o mesmo raciocínio que no caso de partículas mais lentas que a luz, você pode provar que seria necessária uma quantidade infinita de energia para diminuir a velocidade de um táquion até a velocidade da luz.

A diferença é que, nesse caso, você acaba com o v-term sendo um pouco maior que um, o que significa que o número na raiz quadrada é negativo. Isso resulta em um número imaginário, e nem está claro conceitualmente o que realmente significa ter uma energia imaginária. (Não, isto é nãoenergia escura.)

Como mencionei anteriormente, quando a luz passa de um vácuo para outro material, ela diminui. É possível que uma partícula carregada, como um elétron, possa entrar em um material com força suficiente para se mover mais rápido que a luz dentro desse material. (A velocidade da luz dentro de um determinado material é chamada de velocidade de fase de luz nesse meio.) Nesse caso, a partícula carregada emite uma forma de radiação eletromagnética que se chama Radiação Cherenkov.

Existe uma maneira de contornar a velocidade da restrição de luz. Essa restrição se aplica apenas a objetos que estão se movendo no espaço-tempo, mas é possível para espaço-tempo expandir-se a uma velocidade tal que os objetos dentro dela se separem mais rápido que a velocidade da luz.

Como exemplo imperfeito, pense em duas jangadas flutuando rio abaixo a uma velocidade constante. O rio se bifurca em dois galhos, com uma balsa flutuando em cada um deles. Embora as próprias jangadas estejam sempre se movendo na mesma velocidade, elas estão se movendo mais rapidamente em relação à outra devido ao fluxo relativo do próprio rio. Neste exemplo, o próprio rio é espaço-tempo.

Sob o atual modelo cosmológico, os alcances distantes do universo estão se expandindo a velocidades mais rápidas que a velocidade da luz. No universo primitivo, nosso universo também estava se expandindo nesse ritmo. Ainda assim, em qualquer região específica do espaço-tempo, as limitações de velocidade impostas pela relatividade se mantêm.

Um ponto final que vale a pena mencionar é uma idéia hipotética chamada cosmologia de velocidade variável da luz (VSL), que sugere que a velocidade da própria luz mudou com o tempo. Isto é um extremamente teoria controversa e há pouca evidência experimental direta para apoiá-la. Principalmente, a teoria foi apresentada porque tem o potencial de resolver certos problemas na evolução do universo primitivo sem recorrer a teoria da inflação.