Velocidade da Luz

Velocidade_luz1Alguns fatos sobre nossa realidade, se pensados detalhadamente, possuem propriedades e características suficientes para pensarmos sobre nós mesmos e o lugar onde vivemos. Quando me refiro ao lugar onde vivemos, quero chamar a atenção para um planeta e seu ecossistema, o universo. Um desses fatos, extremamente importante, altamente despercebido, e altamente intrínseco no modo com que vivemos, é a luz e sua surpreendente velocidade: 300.000 quilômetros por segundo.

Pensar em números grandes é muito difícil para nós. Por isso temos que usar referenciais para termos uma idéia melhor de uma velocidade como essa. Um dos exemplos mais eficientes é entender a velocidade da luz ao pensarmos que a mesma é suficiente para dar 7 voltas no planeta Terra em apenas 1 segundo.
Muito rápido? Como disse Einstein, isso é relativo.

A luz só viaja a 300.000 quilômetros por segundo no vácuo. Quando viaja por meios diferentes, ela tem sua velocidade alterada. Como por exemplo, na água, onde por isso podemos visualizar a curvatura e a refração da luz.

Nossos olhos funcionam de acordo com essa mudança de velocidade em que a luz viaja em diferentes materiais. Se não fosse assim veríamos apenas bolhas claras e escuras.

O fator de atraso se deve ao fato de que a luz é absorvida pelos átomos que compõem os materiais pelos quais ela atravessa. Uma vez absorvida por esses átomos, fazendo-os vibrar, ela é irradiada novamente.
Ao passar pelos átomos do vidro existe a curvatura da luz, onde a mesma pode ser direcionada e ampliada, causando o fenômeno que você percebe ao usar uma lente de aumento. É justamente esse fato que torna possível a utilização de telescópios, onde passamos a observar a luz numa outra escala: a astronômica. E é aí que a tal velocidade da luz se torna extremamente indispensável.

Na superfície da Lua, a 380.000 quilômetros da Terra, os astronautas demoravam 1,3 segundos para receber uma mensagem. E mais 1,3 segundos para que a resposta chegasse na Terra. Entre uma pergunta e uma resposta, sem levar em conta o tempo para pensar, eram gastos 2,6 segundos.

Aumentando um pouco a distância, a luz do Sol demora pouco mais de 8 minutos para alcançar a Terra. Se o Sol fosse engolido por um buraco negro teríamos ainda 8 minutos antes de nosso planeta, e todas suas formas de vida, começarem a desaparecer.

Continuando a aumentar as distâncias, a comunicação entre a Terra e as sondas que exploram Marte demora 44 minutos para chegar até lá. E mais 44 minutos para que a resposta chegue novamente aqui.

Para se comunicar com a sonda Cassini, em órbita de Saturno, são mais de 3 horas para que a mensagem a alcance. E, para alcançar a Voyager I, a sonda mais distante já enviada pelo homem, hoje a 16.000.000  (milhões) de quilômetros de distância da Terra, que está saindo agora do sistema solar, a mensagem leva 29 horas para atingir o alvo.

Nessas distâncias, a luz, mesmo viajando a 300.000 quilômetros por segundo, já não se mostra tão eficiente. Para piorar, em escalas cósmicas, como veremos, essas distâncias ainda são infinitamente ridículas.
Que tal tentarmos enviar uma mensagem para a estrela, ou o Sol, mais próximo do nosso sistema solar? Trata-se de uma estrela anã-vermelha chamada Próxima Centauri, aproximadamente 40.000.000.000.000 (trilhões) de quilômetros de distância.

Perceba que aqui nosso cérebro já não processa a informação referente à distância. Ou seja, já são números dos quais não temos noção. Deste ponto em diante não é mais viável falar em quilômetros para citarmos planetas, estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias , superaglomerados e grandes filamentos. A medida a ser usada passa a ser a velocidade da luz, que equivale a mais ou menos 9 trilhões de quilômetros, distância percorrida pela luz em um ano numa velocidade de 300.000 quilômetros por segundo.

A estrela mais brilhante em nosso firmamento é sem dúvida Sirius, que está a 8,6 anos-luz de distância. Isso quer dizer que a luz, viajando a 300.000 quilômetros por segundo (sempre lembre que nessa velocidade a luz consegue dar a volta na Terra 7 vezes em 1 segundo), demoraria 8,6 anos, ou mais ou menos 3.139 dias, para alcançar Sirius. Enfim, devido a essa "demora", à lentidão com que a luz viaja pelo espaço, quando olhamos Sirius no firmamento, não a vemos como ela é hoje e sim como ela era há 8,6 anos atrás. Nesse caso, podemos até estar vendo Sirius mas, neste momento, em tempo real, ela pode nem mesmo existir mais.

Betelgeuse_Sol

A mesma coisa ocorre com a estrela Vega. Só conseguimos vê-la como ela era há 25 anos atrás. E a imensa Betelgeuse (que possui mais ou menos 900 vezes o diâmetro do nosso Sol, conforme imagem acima)  como era há 500 anos atrás.

Ao mesmo tempo, essa lentidão da velocidade da luz nos permite enxergar o passado, possibilitando observar e compreender cada vez mais quais os processos que fizeram com que o universo chegasse até este ponto em que nos encontramos. Isso seria impossível se a luz viajasse instantaneamente. Com isso já conseguimos enxergar o universo como ele era há mais de 13 bilhões de anos atrás. O universo ainda engatinhava.

Mas o que podemos ver além disso no passado do universo? Não. Aqui existe uma barreira. Uma barreira imposta pela própria velocidade da luz. Mas do que se trata essa barreira?

O universo teve início cerca de 13,75 bilhões de anos atrás. Isso significa que o mais distante que podemos enxergar no espaço, em qualquer direção, é 13,75 bilhões de anos-luz. Não houve tempo suficiente para a luz viajar mais do que isso. Trata-se do horizonte cósmico da luz, uma esfera de 13,75 bilhões de anos-luz, contendo tudo que vemos. Será que o universo termina aí?

Não temos razões para acreditar nisso. É muito provável que o universo seja muito maior do que isso. Mas, independente disso, os astrônomos da Terra estão "presos". Não podem ver além do horizonte cósmico da luz.
Einstein mencionou que a velocidade da luz é o limite de velocidade para qualquer coisa que viaje pelo espaço. De fato as equações da física mostram que distorções muito "estranhas" – como o espaço se dobrando sobre si mesmo (a famosa "dobra espacial" de "Jornada nas Estrelas") – começam a acontecer com objetos que chegam a 99,99% da velocidade da luz. Mas, algo supera ou já superou a velocidade da luz? Sim.

As evidências mostram que, após o big-bang, o universo passou por um período chamado "inflação", período esse responsável pela estranha homogeneidade existente hoje em todo o universo. 

A chamada "inflação", que seria de fato o big-bang que observamos hoje através da radiação cósmica de fundo, ou seja, um segundo big-bang, foi uma fase onde tudo foi arremessado em todas as direções numa velocidade muito superior à da luz. Podemos concluir com isso que o espaço em si pode se expandir mais rapidamente do que a velocidade da luz, mas tudo que está confinado nesse espaço não pode ultrapassar a velocidade da luz, conforme a teoria da relatividade especial de Einstein.

Como o universo hoje encontra-se em expansão, galáxias se afastam umas das outras tão rapidamente que violam a velocidade da luz. Veja que é o espaço que se expande e não as galáxias que se movem. Vale lembrar que as galáxias estão contidas no espaço que se expande, como se fossem manchas numa bexiga que está sendo sendo cheia.

Essa expansão, ocorrendo mais rapidamente que a velocidade da luz, estipula outro limite: as galáxias que nunca veremos. Tais galáxias tiveram início há tanto tempo que a luz proveniente delas nunca nos alcançará porque o espaço está se expandido mais rapidamente do que a velocidade da luz.

Enfim, se estamos limitados ao horizonte cósmico da luz, o que há para ser observado e explorado dentro desse horizonte? Temos idéia disso?

Hubble_ultra_deep_field (1)

Pense no seguinte fato: o campo ultra-profundo do telescópio Hubble (conforme imagem acima) é uma foto repleta de detalhes de uma área do nosso céu, 100 vezes menor do que uma lua cheia, que contém em torno de 10.000 galáxias.

Vale a pena lembrar que nossa galáxia, com seu tamanho aproximado de 100.000 anos-luz de uma ponta à outra, pode conter cerca de 400 bilhões de estrelas (sóis). Se pensarmos então na galáxia IC-1011, com seu tamanho 60 vezes maior que a nossa, cerca de 6 milhões de anos-luz de uma ponta à outra, imagine, se puder, quantas estrelas (sóis) ela pode conter.

Enfim, a velocidade da luz, para nós, é tão absurdamente rápida que é praticamente impossível pensar nisso. Mas para o universo é uma velocidade extremamente desanimadora. Mesmo se, no futuro, conseguíssemos construir uma nave espacial que viajasse na velocidade da luz, não conseguiríamos ir praticamente a lugar nenhum. Espero que ao menos a velocidade da luz seja mais um dos elementos que ajude a mostrar o quanto somos minúsculos e imperceptíveis numa escala astronômica. Mais um motivo para a humildade da qual tanto precisamos para continuar a existir nessa imensidão.

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