No vácuo, a luz viaja sempre a uma velocidade constante de 299.792.458 metros por segundo. Nada pode viajar mais rápido do que esta constante c,como indicam os físicos. Estes dois postulados são blocos básicos de construção da física moderna e foram anunciados pela primeira vez há mais de cem anos por Albert Einstein.
Sim, sim, nada pode viajar mais rápido que a luz, mas…
Quando a luz viaja através de um meio que não seja o vácuo, ela será desacelerada. Por exemplo, quando a luz se propaga através da água ou do ar, ela o fará a uma velocidade mais lenta. Isso se deve ao fato de que a luz se espalha das moléculas que compõem diferentes materiais. Os fotões em si não diminuem a velocidade. Mas a sua passagem através de um meio envolve absorção por electrões e reemissão. Para alguns materiais, como a água, a luz vai abrandar mais do que os electrões. Assim, um elétron na água pode viajar mais rápido do que a luz na água. Mas nada viaja mais rápido do que c.
Em alguns casos, a luz lenta pode produzir alguns fenómenos físicos muito interessantes. Você provavelmente ouviu falar da explosão sônica. Uma aeronave subsónica ‘normal’ desviará o ar suavemente em torno das suas asas. Uma aeronave supersônica – do tipo que viaja mais rápido que o som (mais de 340 m/s) – na verdade se moverá muito mais rápido do que o ar que ele desloca. O resultado é uma súbita mudança de pressão ou onda de choque que se propaga da aeronave num cone à velocidade do som.
Dr. Manhattan
A velocidade de fase da luz num meio com índice de refracção n é v
luz = c/n. A água tem um índice de refração de cerca de 1,3, portanto a velocidade da luz na água é consideravelmente menor do que a velocidade da luz no vácuo. Não só um elétron pode mover-se mais rápido que a luz através de um meio diferente – outras partículas também. Se uma partícula carregada viaja mais rapidamente do que a luz num meio, é produzida uma radiação ténue. Na água, por exemplo, a partícula carregada excita as moléculas de água, que então retornam ao seu estado normal, emitindo fótons de luz azul. A luz propaga-se em um cone à frente da região onde a interação ocorreu, análogo ao boom sônico.
Este efeito, conhecido como radiação Cherenkov, foi observado como um fraco brilho azul por Pavel Cherenkov em 1934, quando lhe foi pedido para olhar para os efeitos da radioatividade em líquidos. As pessoas que trabalham com reatores nucleares frequentemente conseguem ver esse brilho azul. Na cultura popular, o poderoso doutor Manhattan do clássico romance gráfico “Watchmen” de lan Moore é sempre cercado por um brilho azul.
Esta discussão levanta a questão: quanto podemos abrandar a luz?
Dead stop
Embora nunca possamos realmente acelerar ou reduzir a velocidade da luz, que é sempre uma constante, os cientistas têm sido bem sucedidos na manipulação do tempo que a luz leva para viajar através de vários meios. À temperatura ambiente, os átomos são incrivelmente rápidos e comportam-se como bolas de bilhar, ricocheteando-se uns aos outros quando interagem. À medida que você baixa a temperatura (lembre-se que a temperatura reflete a agitação atômica), os átomos e as moléculas se movem mais lentamente. Eventualmente, quando você chega a cerca de 0,000001 graus acima de zero absoluto, os átomos se tornam tão densamente embalados que se comportam como um super átomo, agindo em uníssono. Este é o domínio da mecânica quântica tão preparada para muita estranheza.
Este é na verdade um estado distinto da matéria conhecido como o condensado de Bose-Einstein, que não se assemelha a estados observáveis diariamente como líquido, gás, sólido ou plasma. BEC, para abreviar, foi previsto pela primeira vez nos anos 20 por Albert Einstein e pelo físico indiano Satyendra Bose e só no final de 1995 é que os cientistas conseguiram produzir as condições necessárias para que este estado extremo da matéria ocorresse.
Em 1999, Lene Vestergaard Hau, uma professora da Universidade de Harvard, apontou um raio laser através de uma nuvem de átomos de sódio quase sem movimento de apenas 1/125 polegadas de comprimento. Primeiro, um feixe inicial conhecido como feixe de acoplamento é brilhado sobre a nuvem, tornando-a transparente. Ele faz com uma taxa extremamente rápida da mudança do índice de refração.
Um segundo feixe laser, o pulso da sonda, dispara através desta nuvem de gás agora transparente que tem um índice de refracção cem triliões de vezes superior ao do vidro em fibra óptica. Foi sob estas condições que a luz rastejou a uns cambaleantes 38 milhas por hora. Os cavalos são mais rápidos.
Luz flutuante
Não descansando sobre seus louros, a professora Hau empurrou o envelope até o ponto final: parando a luz em seus rastros. Para parar a luz por completo, os cientistas utilizaram um efeito semelhante, mas muito mais poderoso. Os pesquisadores esfriaram um gás de átomos de sódio magneticamente aprisionados até alguns milionésimos de um grau de zero absoluto (-273 graus C). A configuração experimental parecia muito semelhante à primeira tentativa, só que desta vez se a equipe desligasse o laser de acoplamento enquanto a sonda laser ainda brilhava na nuvem, então o pulso da sonda pararia morto. Se o feixe de acoplamento for ligado novamente, o pulso da sonda emerge intacto, tal como se estivesse à espera de retomar a sua viagem. Espantoso! Estas descobertas foram replicadas no mesmo ano (2001) pelo Dr Ronald Walsworth, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge.
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“Os pesquisadores construíram o que chamaram de pista de corrida, estabelecendo uma pista dupla para disparar fótons e detectar quando atingiram um detector a um metro de distância. Os fotões de ambos os grupos foram lançados ao mesmo tempo, mas os fotões sem forma bateram os fotões com forma alterada até à linha de chegada em aproximadamente 0,001 por cento”, phys.org.Desde então, vários marcos foram definidos. Em 2013, uma equipa da Universidade Alemã de Darmstadt pôs fim à luz dentro de uma estrutura cristalina e manteve-a durante um minuto inteiro. Eles também usaram a armadilha para armazenar e depois recuperaram uma imagem composta por três faixas. “Mostramos que você pode imprimir informações complexas no seu feixe de luz”, disse o pesquisador principal George Heinze. Em 2015, os pesquisadores da Universidade de Glasgow encontraram uma maneira de diminuir a velocidade da luz que não envolve a sua passagem por um meio. Eles essencialmente alteraram sua velocidade indiretamente ao passar a luz através de uma máscara especial – um filtro que moldou o feixe em um feixe Gaussiano ou Bessel.
Após passar através de um meio, digamos vidro, água ou qualquer tipo de material do qual você possa fazer um filtro, a luz é suposta acelerar de volta à sua constante normal. A experiência mostrou que a luz pode ser causada a viajar mais lentamente do que c, alterando a sua forma. Isto foi 0,001 por cento mais lento do que deveria. Não tão impressionante como colocar os freios na luz, mas ainda assim fascinante. Talvez a luz seja mais maleável do que os físicos pensavam anteriormente.
Existem, é claro, aplicações práticas para estes ‘gimmicks’. Estas incluem computação quântica e aplicações de comunicação quântica. Ainda assim, fazer este tipo de ciência revolucionária só por causa disso parece-me igualmente fantástico.