Um novo estudo publicado na revista Nature observou pontos de fuga à medida que a luz percorria um campo de ondas estruturado, em vez de se mover através do espaço livre. A razão pela qual a relatividade é válida é simples: a escuridão não transporta massa, energia ou informação de um lugar para outro. Capturar este tipo de movimento mais rápido que a luz exigiu um dos sistemas de imagem mais precisos de sempre para mostrar um feixe de luz, e a sua descoberta está a remodelar a forma como os cientistas pensam sobre a própria velocidade.
Qual é a característica da fase óptica?
As singularidades da fase óptica são mais fáceis de visualizar do que parecem. Dentro de um feixe de luz estruturado, alguns pontos têm amplitude zero, ou seja, a onda se dobra sobre si mesma e desaparece completamente. Os físicos chamam esses pontos escuros de vórtices porque a luz que os rodeia gira com uma mudança de fase de mais ou menos 2π. Esse spin dá a cada vórtice uma carga positiva ou negativa, como a carga das partículas subatômicas.
Quando dois vórtices com cargas opostas se encontram, eles se aniquilam e desaparecem instantaneamente, como a matéria encontra a antimatéria. Este comportamento semelhante a partículas é a razão pela qual os cientistas têm comparado estes pontos escuros com partículas reais há anos, não com objetos físicos, mas com padrões de ondas. As novas medições confirmaram que os vórtices existem em espaços separados, como partículas num fluido, mas as suas velocidades contam uma história muito mais estranha, construída inteiramente em torno do movimento e não da luz.
Como os cientistas observaram o movimento mais rápido que a luz?
Para ver um ponto escuro se movendo mais rápido que a luz, primeiro é necessário diminuir a velocidade da luz. A equipe do Technion usou um cristal hexagonal de nitreto de boro fornecido por pesquisadores da Universidade Bar-Ilan, que acopla a luz com vibrações dentro do material para criar ondas híbridas chamadas fônon-polaritons. Estas ondas viajam 100 vezes mais lentamente que a luz normal, dando à equipa tempo suficiente para observar os redemoinhos em movimento sem perder um instante.
Cientistas do Centro de Microscopia Eletrônica do Technion construíram um dispositivo especial que emparelha lasers com um microscópio eletrônico de transmissão de alta velocidade. O sistema alcançou uma resolução de 20 nanômetros e 3 femtossegundos e foi rápido o suficiente para capturar mudanças dentro de um ciclo de uma onda de luz. Em 285 quadros cobrindo um campo de 21×21 micrômetros, eles rastrearam cerca de 50 vórtices por quadro e observaram que o par acelerou acentuadamente antes de desaparecer. O professor Ido Kaminer, que trabalhou na pesquisa, disse que o método “nos fornece uma ferramenta tecnológica poderosa” para estudar atividades sutis em nanoescala em física, química e biologia.
Por que isso não viola a teoria da relatividade de Einstein?
Este é um detalhe que incomoda muitos. A teoria da relatividade de Einstein impõe limites estritos à matéria, à energia e a qualquer sinal que possa transportar informações reais entre dois pontos. Uma singularidade de fase não suporta nada disso. Seu movimento aparente não é um objeto atravessando fisicamente o espaço, mas apenas marcas onde fica o ponto zero de um padrão de onda variável em um determinado instante. A razão para esta diferença é que um objeto pode viajar mais rápido que a luz sem enviar um sinal real; a sombra de um holofote pode atravessar uma parede distante mais rápido que a luz, se a fonte girar rápido o suficiente. Os números neste experimento tornam difícil ignorar o efeito. Os pesquisadores mediram uma velocidade média de vórtice de cerca de 3,12 × 10^8 metros por segundo, cerca de 1,04 vezes a velocidade da luz. Neste material, 29% de todos os vórtices observados moveram-se mais rapidamente que a luz, em comparação com 0,4% previstos em condições normais no espaço livre. A lacuna sugere que o material de luz lenta transformará uma rara curiosidade teórica em algo que os físicos eventualmente serão capazes de observar repetidamente, quadro a quadro, mais rápido que a própria luz.
A equipe do Technion é cuidadosa com o que isso significa e o que não significa. Neste experimento, nada físico, nem uma partícula ou um sinal real, viajou mais rápido que a luz. Agora, os cientistas podem ver em tempo real que a escuridão dentro de uma onda de luz se move mais rápido que a luz, sem quebrar nenhum dos princípios estabelecidos por Einstein há um século. Esta descoberta é mais importante do que um laboratório, porque uma física singular semelhante pode ser encontrada em supercondutores, líquidos e cristais, onde uma onda pode viajar mais rápido que a luz durante um curto período de tempo antes de desaparecer.
Perguntas frequentes:
Q1. A escuridão pode viajar mais rápido que a luz sem violar a teoria da relatividade de Einstein?
O efeito escuro mais rápido que a luz não envolve matéria, energia ou informação que se mova além dos limites de Einstein. Os cientistas observaram singularidades de fase óptica, onde uma onda de luz fica completamente escura. Seu movimento é apenas uma mudança distinta no padrão de onda, portanto a relatividade é totalmente válida.
Q2. Como os cientistas observaram a característica da fase óptica mais rápida que a luz?
Os pesquisadores usaram nitreto de boro hexagonal e um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida para capturar o comportamento das ondas de luz em velocidades em nanoescala. O experimento observou pontos escuros dentro de campos de luz estruturados e mostrou que essas características viajam brevemente mais rápido que a luz devido à dinâmica das ondas.
