Em nosso Universo, existem algumas regras que tudo deve obedecer. Energia, momento e momento angular são sempre conservados sempre que dois quanta interagem. A física de qualquer sistema de partículas avançando no tempo é idêntica à física desse mesmo sistema refletido em um espelho, com partículas trocadas por antipartículas, onde a direção do tempo é invertida. E há um limite máximo de velocidade cósmica que se aplica a todos os objetos: nada pode exceder a velocidade da luz, e nada com massa pode alcançar essa velocidade alardeada.

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Ao longo dos anos, as pessoas desenvolveram esquemas muito inteligentes para tentar contornar esse último limite. Teoricamente, eles introduziram os táquions como partículas hipotéticas que poderiam exceder a velocidade da luz, mas os táquions precisam ter massas imaginárias e não existem fisicamente. Dentro da Relatividade Geral, o espaço suficientemente distorcido poderia criar caminhos alternativos e encurtados sobre o que a luz deve atravessar, mas nosso Universo físico não tem buracos de minhoca conhecidos. E embora o emaranhamento quântico possa criar uma ação "assustadora" à distância, nenhuma informação é transmitida mais rápido do que a luz.

A luz nada mais é do que uma onda eletromagnética, com oscilações em fase elétrica e magnética com campos perpendiculares à direção de propagação da luz. Quanto mais curto o comprimento de onda, mais energético o fóton, mas mais suscetível às mudanças na velocidade da luz através de um meio.Crédito: AND1MU / WIKIMEDIA COMMONS

Mas há uma maneira de vencer a velocidade da luz: entre em qualquer meio que não seja o vácuo perfeito. Veja a física de como funciona.

A luz, você deve se lembrar, é uma onda eletromagnética. Claro, ela também se comporta como uma partícula, mas quando falamos sobre sua velocidade de propagação, é muito mais útil pensar nela não apenas como uma onda, mas como uma onda de campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase. Quando ele viaja pelo vácuo do espaço, não há nada que impeça esses campos de viajar com a amplitude que elas escolheriam naturalmente, definida pela energia, frequência e comprimento de onda da onda. (Que estão todas relacionados.)

Mas quando a luz viaja por um meio, isto é, qualquer região onde cargas elétricas (e possivelmente correntes elétricas) estão presentes, esses campos elétricos e magnéticos encontram algum nível de resistência à sua propagação livre. De todas as coisas que estão livres para mudar ou permanecer as mesmas, a propriedade da luz que permanece constante é sua frequência quando ela se move do vácuo para o meio, de um meio para o vácuo ou de um meio para outro.

Se a frequência permanecer a mesma, entretanto, isso significa que o comprimento de onda deve mudar, e como a frequência multiplicada pelo comprimento de onda é igual à velocidade, isso significa que a velocidade da luz deve mudar conforme o meio pelo qual você está propagando muda.

Animação esquemática de um feixe de luz contínuo sendo dispersado por um prisma. Observe como a onda a natureza da luz é consistente e uma explicação mais profunda do fato de que a luz branca pode ser dividida em cores diferentes. Crédito: LUCASVB

Uma demonstração espetacular disso é a refração da luz ao passar por um prisma. A luz branca, como a luz solar, é composta de luz de uma ampla variedade contínua de comprimentos de onda. Comprimentos de onda mais longos, como a luz vermelha, possuem frequências menores, enquanto comprimentos de onda mais curtos, como a luz azul, possuem frequências maiores. No vácuo, todos os comprimentos de onda viajam na mesma velocidade: a frequência multiplicada pelo comprimento de onda é igual à velocidade da luz. Os comprimentos de onda mais azuis têm mais energia e, portanto, seus campos elétricos e magnéticos são mais fortes do que a luz de comprimento de onda mais vermelha.

Quando você passa essa luz por um meio dispersivo como um prisma, todos os diferentes comprimentos de onda respondem de maneira ligeiramente diferente. Quanto mais energia você tiver em seus campos elétrico e magnético, maior será o efeito que eles experimentam ao passar por um meio. A frequência de toda a luz permanece inalterada, mas o comprimento de onda da luz de alta energia diminui muito mais do que a luz de baixa energia.

Como resultado, embora toda a luz viaje mais lentamente através de um meio do que o vácuo, a luz mais vermelha diminui em uma quantidade um pouco menor do que a luz azul, levando a muitos fenômenos ópticos fascinantes, como a existência de arco-íris quando a luz solar se quebra em diferentes comprimentos de onda à medida que passa através de gotas de água.

Quando a luz faz a transição do vácuo (ou ar) para uma gota de água, ela primeiro refrata, depois reflete na parte de trás e, finalmente, refrata de volta para o vácuo (ou ar). O ângulo que a luz que entra faz com que a luz que saia, sempre atingindo o pico em um ângulo de 42 graus, explicando por que os arco-íris sempre fazem o mesmo ângulo no céu. Crédito:  KES47 / WIKIMEDIA COMMONS / DOMÍNIO PÚBLICO

No vácuo do espaço, entretanto, a luz não tem escolha, independentemente de seu comprimento de onda ou frequência - a não ser viajar a uma velocidade e apenas uma velocidade: a velocidade da luz no vácuo. Esta é também a velocidade que qualquer forma de radiação pura, como a radiação gravitacional, deve viajar, e também a velocidade, de acordo com as leis da relatividade, que qualquer partícula sem massa deve viajar.

Mas a maioria das partículas do Universo tem massa e, como resultado, têm que seguir regras ligeiramente diferentes. Se você tem massa, a velocidade da luz no vácuo ainda é seu limite de velocidade final, mas em vez de ser obrigado a viajar nessa velocidade, é um limite que você nunca pode atingir; você só pode abordá-la.

Quanto mais energia você coloca em sua partícula massiva, mais perto ela pode se mover da velocidade da luz, mas deve sempre viajar mais devagar. As partículas mais energéticas já feitas na Terra, que são prótons no Grande Colisor de Hádrons, podem viajar incrivelmente perto da velocidade da luz no vácuo: 299.792.455 metros por segundo, ou 99,999999% da velocidade da luz.

A dilatação do tempo (L) e a contração do comprimento (R) mostram como o tempo parece correr mais devagar e as distâncias parecem ficar menores quanto mais você se aproxima da velocidade da luz. À medida que você se aproxima da velocidade da luz, os relógios se dilatam para que o tempo não passa, enquanto as distâncias se contraem a quantidades infinitesimais. Crédito:  WIKIMEDIA COMMONS USERS ZAYANI (L) E JROBBINS59 (R)

Não importa quanta energia injetemos nessas partículas, no entanto, só podemos adicionar mais “9s” à direita dessa casa decimal. Nunca podemos atingir a velocidade da luz.

Ou, mais precisamente, nunca podemos atingir a velocidade da luz no vácuo. Ou seja, o limite de velocidade cósmica final, de 299.792.458 m/s, é inatingível para partículas massivas e, simultaneamente, é a velocidade que todas as partículas sem massa devem viajar.

Mas o que acontece, então, se viajarmos não pelo vácuo, mas por um meio? Acontece que quando a luz viaja por um meio, seus campos elétricos e magnéticos sentem os efeitos da matéria por onde passam. Isso tem o efeito, quando a luz entra em um meio, de mudar imediatamente a velocidade em que a luz viaja. É por isso que, quando você observa a luz entrar ou sair de um meio, ou a transição de um meio para outro, ela parece dobrar. A luz, embora livre para se propagar irrestritamente no vácuo, tem sua velocidade de propagação e seu comprimento de onda que depende muito das propriedades do meio por onde viaja.

Luz passando de um meio desprezível através de um meio denso, exibindo refração. A luz entra da parte inferior direita, atinge o prisma e reflete parcialmente (topo), enquanto o restante é transmitido através do prisma (centro). A luz que passa pelo prisma parece se curvar, pois viaja a uma velocidade mais lenta do que a luz que viaja pelo ar antes. Quando ela reemergiu do prisma, ela refratou mais uma vez, retornando à sua velocidade original. Crédito: SPIGGET, USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS

No entanto, as partículas têm um destino diferente. Se uma partícula de alta energia que estava originalmente passando por um vácuo de repente se encontra viajando por um meio, seu comportamento será diferente do da luz.

Em primeiro lugar, ela não experimentará uma mudança imediata no momento ou na energia, pois as forças elétricas e magnéticas que agem sobre ela, que mudam seu momento ao longo do tempo, são insignificantes em comparação com a quantidade do momento que já possui. Em vez de se curvar instantaneamente, como a luz parece, suas mudanças de trajetória só podem ocorrer de maneira gradual. Quando as partículas entram pela primeira vez em um meio, elas continuam se movendo com aproximadamente as mesmas propriedades, incluindo a mesma velocidade de antes de entrarem.

Em segundo lugar, os grandes eventos que podem alterar a trajetória de uma partícula em um meio são quase todos interações diretas: colisões com outras partículas. Esses eventos de espalhamento são extremamente importantes em experimentos de física de partículas, pois os produtos dessas colisões nos permitem reconstruir o que quer que tenha ocorrido no ponto de colisão. Quando uma partícula de movimento rápido colide com um conjunto de partículas estacionárias, chamamos esses experimentos de "alvo fixo", e elas são usadas ??em tudo, desde a criação de feixes de neutrinos até dar origem a partículas de antimatéria que são críticas para explorar certas propriedades da natureza.

Aqui, um feixe de prótons é disparado contra um alvo de deutério no experimento LUNA. A taxa de fusão nuclear em várias temperaturas ajudou a revelar a seção transversal deutério-próton, que era o termo mais incerto nas equações usadas para calcular e compreender as abundâncias líquidas que surgiriam no final da Nucleosíntese do Big Bang. Os experimentos de alvos fixos têm muitas aplicações na física de partículas. Crédito: COLABORAÇÃO LUNA / GRAN SASSO

Mas o fato mais interessante é este: partículas que se movem mais devagar do que a luz no vácuo, mas mais rápido do que a luz no meio em que entram, estão na verdade quebrando a velocidade da luz. Esta é a única maneira real e física pela qual as partículas podem exceder a velocidade da luz. Elas nunca podem exceder a velocidade da luz no vácuo, mas podem excedê-la em um meio. E quando o fazem, algo fascinante ocorre: um tipo especial de radiação - radiação Cherenkov - é emitido.

Com o nome de seu descobridor, Pavel Cherenkov, é um daqueles efeitos físicos que foram notados experimentalmente, antes mesmo de ser previsto. Cherenkov estava estudando amostras radioativas que haviam sido preparadas, e algumas delas estavam sendo armazenadas na água. As preparações radioativas pareciam emitir uma luz tênue em tom azulado e, embora Cherenkov estivesse estudando luminescência, onde os raios gama excitariam essas soluções, que emitiam luz visível quando desexcitadas, ele foi rapidamente capaz de concluir que esta luz tinha uma direção preferida. Não era um fenômeno fluorescente, mas algo totalmente diferente.

Hoje, esse mesmo brilho azul pode ser visto nos tanques de água ao redor dos reatores nucleares: radiação Cherenkov.

Reator nuclear experimental RA-6  (Republica Argentina 6), em marcha, mostrando a característica Radiação Cherenkov emitida pelas partículas emitidas mais rápido que a luz na água. Como essas partículas viajam mais rápido do que a luz neste meio, elas emitem radiação para liberar energia e impulso, o que continuarão a fazer até cair abaixo da velocidade da luz. Crédito: CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO

De onde vem essa radiação?

Quando você tem uma partícula muito rápida viajando através de um meio, essa partícula geralmente estará carregada, e o próprio meio é composto de cargas positivas (núcleos atômicos) e negativas (elétrons). A partícula carregada, à medida que viaja por este meio, tem uma chance de colidir com uma das partículas lá, mas como os átomos são em sua maioria espaço vazio, as chances de uma colisão são relativamente baixas em distâncias curtas.

Em vez disso, a partícula tem um efeito no meio pelo qual viaja: faz com que as partículas no meio se polarizem, onde cargas semelhantes se repelem e cargas opostas se atraem, em resposta à partícula carregada que está passando. Uma vez que a partícula carregada está fora do caminho, entretanto, esses elétrons voltam ao seu estado fundamental, e essas transições causam a emissão de luz. Especificamente, elas causam a emissão de luz azul em forma de cone, onde a geometria do cone depende da velocidade da partícula e da velocidade da luz naquele meio específico.

Esta animação mostra o que acontece quando uma partícula carregada relativística se move mais rápido que a luz em um meio.As interações fazem com que a partícula emita um cone de radiação conhecido como radiação Cherenkov, que é dependente da velocidade e da energia da partícula incidente. Detectar as propriedades dessa radiação é uma técnica extremamente útil e amplamente difundida na física de partículas experimental. Crédito: VLASTNI DILO / H. SELDON / DOMÍNIO PÚBLICO

Esta é uma propriedade extremamente importante na física de partículas, pois é exatamente esse processo que nos permite detectar o indescritível neutrino. Os neutrinos quase nunca interagem com a matéria. No entanto, nas raras ocasiões em que o fazem, eles apenas transmitem sua energia a uma outra partícula.

O que podemos fazer, portanto, é construir um enorme tanque de líquido muito puro: líquido que não se decomponha radioativamente nem emita outras partículas de alta energia. Podemos protegê-lo muito bem dos raios cósmicos, da radioatividade natural e de todos os tipos de outras fontes contaminantes. E então, podemos alinhar a parte externa desse tanque com o que é conhecido como tubos fotomultiplicadores: tubos que podem detectar um único fóton, disparando uma cascata de reações eletrônicas que nos permitem saber de onde, quando e em que direção um fóton veio.

Com detectores grandes o suficiente, podemos determinar muitas propriedades sobre cada neutrino que interage com uma partícula nesses tanques. A radiação Cherenkov resultante, produzida desde que a partícula “chutada” pelo neutrino exceda a velocidade da luz naquele líquido, é uma ferramenta incrivelmente útil para medir as propriedades dessas partículas cósmicas fantasmagóricas.

Um evento de neutrino, identificável pelos anéis de radiação Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostram a metodologia de sucesso da astronomia de neutrinos e alavancam o uso da radiação Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abrem nosso caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. Crédito: COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE

A descoberta e a compreensão da radiação Cherenkov foram revolucionárias em muitos aspectos, mas também levaram a uma aplicação assustadora nos primeiros dias dos experimentos de física de partículas em laboratório. Um feixe de partículas energéticas não deixa assinatura óptica ao viajar pelo ar, mas causará a emissão dessa luz azul se passar por um meio onde viaja mais rápido do que a luz nesse meio. Os físicos costumavam fechar um olho e enfiar a cabeça no caminho do feixe; se o feixe estivesse ligado, eles veriam um “flash” de luz devido à radiação Cherenkov gerada em seus olhos, confirmando que o feixe estava ligado. (Desnecessário dizer que este processo foi interrompido com o advento do treinamento de segurança de radiação.)

Ainda assim, apesar de todos os avanços que ocorreram na física ao longo das gerações intermediárias, a única maneira que conhecemos de bater a velocidade da luz é encontrar um meio onde você possa diminuir a velocidade da luz. Só podemos exceder essa velocidade em um meio e, se o fizermos, esse brilho azul revelador - que fornece uma enorme quantidade de informações sobre a interação que deu origem a ele - é a nossa recompensa rica em dados. Até que o warp drive ou táquions se tornem uma realidade, o brilho Cherenkov é o caminho nº 1 a seguir!

Fonte: Forbes