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.
“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.
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
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 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.
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
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.
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.
