Os fótons ficam "cansados"? Um astrofísico explica a capacidade da luz de viajar a vastidão do Universo sem perder energia 4o3l2c

Meu telescópio, montado para astrofotografia em meu quintal afetado pela poluição luminosa de San Diego, estava apontado para uma galáxia incrivelmente distante da Terra. Minha esposa, Cristina, aproximou-se no momento em que a primeira foto cósmica foi transmitida para meu tablet. Ela brilhou na tela à nossa frente. 6p5k6

"Essa é a galáxia do Cata-vento (Pinwheel)", eu disse. O nome é derivado de sua forma - embora esse cata-vento contenha cerca de um trilhão de estrelas.

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A luz da Cata-vento viajou por 25 milhões de anos pelo Universo - cerca de 240 quintilhões de quilômetros - para chegar ao meu telescópio.

Minha esposa se perguntou: "A luz não se cansa em uma viagem tão longa?".

Sua curiosidade desencadeou uma conversa instigante sobre a luz. Em última análise, por que a luz não se desgasta e perde energia com o tempo?

Vamos falar sobre a luz 1j2l3i

Sou astrofísico e uma das primeiras coisas que aprendi em meus estudos é como a luz frequentemente se comporta de maneiras que desafiam nossas intuições.

A foto do autor da galáxia do Cata-vento. Jarred Roberts

A luz é radiação eletromagnética: basicamente, uma onda elétrica e uma onda magnética acopladas e viajando pelo espaço-tempo. Ela não tem massa. Esse ponto é fundamental porque a massa de um objeto, seja um grão de poeira ou uma espaçonave, limita a velocidade máxima que ele pode viajar pelo espaço.

Mas como a luz não tem massa, ela é capaz de atingir o limite máximo de velocidade no vácuo - cerca de 300.000 quilômetros por segundo, ou quase 9,5 trilhões de quilômetros por ano. Nada que viaja pelo espaço é mais rápido. Para colocar isso em perspectiva: no tempo que você leva para piscar os olhos, uma partícula de luz percorre a circunferência da Terra mais de duas vezes.

Por mais incrivelmente rápido que isso seja, o espaço é ainda mais incrivelmente vasto. A luz do Sol, que está a cerca de 150 milhões de quilômetros da Terra, leva pouco mais de oito minutos para chegar até nós. Em outras palavras, a luz solar que você vê tem oito minutos de idade.

Alpha Centauri, a estrela mais próxima de nós depois do Sol, está a cerca de 41 trilhões de quilômetros. Portanto, quando você a vê no céu noturno, sua luz tem pouco mais de quatro anos. Ou, como dizem os astrônomos, a estrela está a quatro anos-luz de distância.

Imagine uma viagem ao redor do mundo na velocidade da luz.

Com essas enormes distâncias em mente, considere a pergunta de Cristina: como a luz pode viajar pelo Universo e não perder energia lentamente?

De fato, parte da luz perde energia. Isso acontece quando ela ricocheteia em algo, como a poeira interestelar, e é dispersada.

Mas a maior parte da luz simplesmente vai e volta, sem colidir com nada. Isso quase sempre acontece porque o espaço é quase todo vazio - um grande "nada". Portanto, não há nada no caminho.

Quando a luz viaja sem obstáculos, ela não perde energia. Ela pode manter essa velocidade de 300.000 quilômetros por segundo para sempre.

Já era hora 254l1e

Aqui está outro conceito: imagine-se como um astronauta a bordo da Estação Espacial Internacional. Você está em órbita a cerca de 27.000 quilômetros por hora. Em comparação com alguém na Terra, seu relógio de pulso marcará 0,01 segundo mais devagar em um ano.

Esse é um exemplo de dilatação do tempo - o tempo se movendo em velocidades diferentes sob condições diferentes. Se você estiver se movendo muito rápido ou próximo a um grande campo gravitacional, seu relógio marcará o tempo mais lentamente do que o de alguém que esteja se movendo mais devagar do que você ou que esteja mais distante de um grande campo gravitacional. Em poucas palavras, o tempo é relativo.

Mesmo os astronautas a bordo da Estação Espacial Internacional experimentam a dilatação do tempo, embora o efeito seja extremamente pequeno. NASA

Agora considere que a luz está inextricavelmente conectada ao tempo. Imagine-se sentado em um fóton, a partícula fundamental da luz. Neste lugar, você experimentaria a dilatação máxima do tempo. Todos na Terra o veriam na velocidade da luz, mas a partir de seu quadro de referência, o tempo pararia completamente.

Isso ocorre porque os "relógios" que medem o tempo estão em dois lugares diferentes em velocidades muito diferentes: o fóton se movendo na velocidade da luz e a velocidade comparativamente lenta da Terra ao redor do Sol.

Além disso, quando você está viajando na velocidade da luz ou próximo a ela, a distância entre o local onde você está e o local para onde está indo fica menor. Ou seja, o próprio espaço se torna mais compacto na direção do movimento - portanto, quanto mais rápido você for, mais curta será sua jornada. Em outras palavras, para o fóton, o espaço fica "esmagado".

O que nos leva de volta à minha imagem da galáxia do Cata-vento. Da perspectiva do fóton, uma estrela dentro da galáxia o emitiu e, em seguida, um único pixel na câmera do meu quintal o absorveu, exatamente ao mesmo tempo. Como o espaço é esmagado, para o fóton a viagem foi infinitamente rápida e infinitamente curta, uma pequena fração de segundo.

Mas, da nossa perspectiva na Terra, o fóton deixou a galáxia há 25 milhões de anos e viajou 25 milhões de anos-luz pelo espaço até "pousar" no meu tablet no meu quintal.

E lá, em uma noite fria de primavera, sua imagem impressionante inspirou uma conversa agradável entre um cientista nerd e sua esposa curiosa.

Jarred Roberts recebe financiamento da Nasa.