Deslizando despreocupadamente pelo completo vazio do espaço, a luz cobre constantes 299.792.458 metros a cada segundo. Nem mais nem menos.
Tudo isso muda quando essa onda de eletromagnetismo é forçada a negociar os campos eletromagnéticos que cercam pedaços de matéria. Ao passar por esse atoleiro, a velocidade geral da luz pode diminuir até se tornar relativamente rastejante.
Vemos esse fenômeno na curvatura da luz enquanto ela viaja através de um copo d'água, ou mesmo na deslumbrante separação das ondas em um arco-íris.
Embora os físicos possam descrever este atraso usando equações do século XIX sobre luz e eletromagnetismo, eles ainda não capturaram adequadamente a mudança abrupta da velocidade da luz entre diferentes meios em medidas de ondas físicas.
Um trio de físicos da Universidade de Tampere apresentou uma solução potencial para este problema, mas não antes de reconsiderar alguns princípios bastante fundamentais sobre o progresso de uma onda de luz através do tempo e de uma dimensão única do espaço.
“Basicamente, descobri uma maneira muito simples de derivar a equação de onda padrão em dimensões 1+1”, diz o primeiro autor do estudo, Matias Koivurova, agora na Universidade do Leste da Finlândia.
"A única suposição que eu precisava era que a velocidade da onda fosse constante. Então pensei comigo mesmo: e se nem sempre for constante? Essa acabou sendo uma pergunta muito boa."
A velocidade da luz – ou c, para usar a abreviação – é um limite universal para a informação que se move através do vácuo. Embora a matéria possa efetivamente abrandar a viagem global de uma partícula, a teoria da relatividade especial diz que esta propriedade fundamental não pode realmente mudar.
No entanto, às vezes a física exige um voo ocasional de imaginação para explorar novos terrenos. Assim, Koivurova, juntamente com os seus colegas Charles Robson e Marco Ornigotti, deixaram de lado esta verdade inconveniente para considerar as consequências de uma equação de onda padrão onde uma onda de luz arbitrária pode acelerar.
Inicialmente, a solução deles não fazia muito sentido. Foi somente quando eles adicionaram uma velocidade constante como quadro de referência que as peças se encaixaram.
Envie uma nave espacial para as profundezas do espaço em alta velocidade e seus passageiros experimentarão o tempo e a distância de maneira diferente dos observadores que observam sua jornada de longe. Esse contraste é cortesia da relatividade, uma teoria que foi testada com sucesso repetidas vezes em todos os tipos de escalas.
Ao enquadrar uma onda acelerada contra uma velocidade constante da luz, os estranhos efeitos da nova solução da equipa para a equação de onda padrão pareciam-se exatamente com os impostos pela relatividade. A sua realização teve implicações profundas para um debate sobre se o impulso de uma onda de luz aumentava ou diminuía à medida que atravessava um novo meio.
“O que mostramos é que, do ponto de vista da onda, nada acontece com o seu momento. Em outras palavras, o momento da onda é conservado”, diz Koivurova.
Não importa qual seja a onda, seja ela num campo eletromagnético, uma ondulação num lago ou uma vibração numa corda, as medidas da relatividade e a conservação do momento precisam ser tidas em conta na equação à medida que ganham velocidade. Esta generalização teria outra consequência bastante notável, embora ligeiramente decepcionante.
Quer sejam os nossos intrépidos viajantes espaciais aproximando-se de Alfa Centauri a uma fração da velocidade da luz, ou a sua família enlutada envelhecendo lentamente na Terra, cada um dos seus respectivos relógios funciona no que é considerado o tempo adequado. Os dois tempos podem discordar quanto à duração de um segundo, mas cada um é uma medida confiável da passagem dos anos dentro de seu próprio quadro.
Se todas as ondas também experimentam o cuidado adequado da relatividade, argumentam os físicos, qualquer física governada por ondas deveria ter uma direção temporal estrita. Um que não pode simplesmente ser revertido para qualquer parte.
Até agora, as equações foram resolvidas apenas para uma única dimensão de espaço (e tempo). Experimentos também precisam ser conduzidos para ver se essa perspectiva das ondas é verdadeira.
Se assim for, a nossa viagem coletiva através do Universo é, afinal, uma via de mão única.