Mais rápido que a luz! Ilusão incrível faz imagens “viajarem no tempo”

Usando um fenômeno estranho em que partículas de luz parecem viajar a velocidades mais rápidas do que a própria luz, os cientistas mostraram que as ondas luminosas podem parecer viajar para trás no tempo.

A nova experiência mostra também outros efeitos bizarros de luz, tais como pares de imagens formando e destruindo uns aos outros.

Tomados em conjunto, os resultados provam uma previsão centenária feita pelo cientista britânico e polímata Lord Rayleigh. O fenômeno, chamado de reversão temporal, poderia permitir que os investigadores desenvolvessem câmeras de ultra-alta-velocidade que podem espreitar em torno dos cantos e ver através das paredes.

Retrocedendo ondas sonoras

Lord Rayleigh – o físico britânico brilhante que descobriu o gás nobre argônio e explicou por que o céu é azul – também fez uma previsão bizarra sobre ondas sonoras quase um século atrás. Rayleigh argumentou que, já que a velocidade do som é fixa, um objeto viajando mais rápido do que isso, enquanto emitindo som, resultaria em ondas sonoras que parecem viajar na direção oposta do objeto e, portanto, parecem ser revertidas na orientação do tempo. Por exemplo, um fonógrafo em um avião viajando a Mach 2, ou duas vezes a velocidade do som, parece tocar a música para trás.

Nenhum cientista realmente duvidava desta noção, mas não havia nenhuma maneira fácil de testá-la.

“Usar o som é algo que é muito difícil de verificar e realmente ouvir”, disse a coautora do estudo Daniele Faccio, física da Universidade Heriot-Watt, na Escócia.

O som viaja a 1.225 km/h, mas isso significa que, para ouvir um clipe de música de três segundos tocado para trás, um jato supersônico viajando a Mach 2 (ou duas vezes a velocidade do som) iria começar a reproduzir a música mais de um quilômetro a partir da localização do ouvinte. A dispersão e absorção das ondas sonoras no ar faria a música completamente inaudível por esse tempo, explica Faccio.

Reversão de luz

Mas Faccio e seus colegas perceberam que se as previsões de Rayleigh fossem verdade, o mesmo efeito poderia ocorrer em outros tipos de ondas, tais como ondas de luz. A luz viaja muito, muito mais rápido do que o som, a 1,1 bilhões km/h. E os próprios comprimentos de onda são pequenos, o que significa que a reversão do tempo pode ser demonstrada em um quarto de tamanho normal.

Os pesquisadores também tiveram interesse em estudar esta ideia porque estavam desenvolvendo câmeras de ultra-alta-velocidade, que poderia espiar em torno dos cantos, e o fenômeno poderia afetar seus algoritmos.

Havia apenas um problema com testar a previsão de Rayleigh com a luz: nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz.

Para criar uma fonte mais rápida que a luz, a equipe usou um estranho fenômeno chamado frentes de iluminação, que tinha sido previamente descrito em uma série de experimentos mentais fascinantes.

O truque por trás das frentes de iluminação é que, enquanto uma imagem pode estar viajando mais rápido que a luz, os próprios fótons nunca excedem a velocidade da luz.

Imagine pegar um ponteiro laser e sacudir o ponto através de uma vasta e distante parede. Enquanto os fótons que viajam a partir do ponteiro laser para a parede estão se movendo em sua velocidade normal, uma vez que a luz atinge a parede em um ângulo, o ponto na parede (parte dianteira da iluminação) sempre se move mais rápido do que isso.

Congelamento de fótons em pleno ar

Em seguida, no entanto, a equipe teve que encontrar alguma maneira de capturar os caminhos rápidos de imagens conforme eles viajavam até uma parede.

“A peça chave do equipamento foi a câmera que nos permite congelar essencialmente luz em movimento”, explica Faccio.

Para pegar a reversão do tempo no ato, a equipe criou uma frente de iluminação, projetando uma única linha de luz em uma tela e movendo aquela linha em toda a tela mais rápido do que a velocidade da luz. Ao mesmo tempo, eles capturaram a luz refletida em movimento usando uma câmara de super-alta-velocidade. A câmera tirou fotos em poucos picossegundos, ou bilionésimos de segundo, durante os quais os fótons viajaram apenas alguns metros.

A câmera capturou a linha na parede se movendo na direção oposta a que eles haviam direcionado, como se estivesse viajado para trás no tempo.

Gêmeos se auto-aniquilando

Em um segundo experimento, a equipe verificou um efeito ainda mais bizarro, chamado de criação e aniquilação de pares. (Robert Nemiroff, físico da Michigan Technological University, previu este efeito para objetos astronômicos em um estudo publicado online em maio 2015 na revista arXiv).

Faccio e seus colegas fizeram uma frente de iluminação através de uma tela curvada. À medida que a velocidade das linhas projetadas excedeu a velocidade da luz, um par de linhas foi criado, e as duas linhas se afastaram uma da outra. Usando uma curvatura diferente, o par de linhas se moveu em direção um ao outro, se fundiu e, em seguida, aniquilou um ao outro.

As descobertas podem ter implicações para as câmeras dos pesquisadores. Este tipo de “supervisão” requer que os cientistas analisem os caminhos que partículas de luz tomam conforme elas saltam e se espalham em vários objetos. Normalmente, a luz viaja tão rápido que, para o olho humano, a luz vinda de muitos locais diferentes parece aparecer instantaneamente, o que torna impossível para nossos olhos resolver esses caminhos de luz diferentes e “ver” atrás de cantos.

Mas uma vez que as câmeras de alta velocidade podem capturar a luz em movimento, os pesquisadores podem reconstruir a forma dos objetos que podem não estar na linha imediata de vista. No entanto, os cálculos matemáticos destes caminhos teriam que levar em conta a possibilidade de que alguns dos raios de luz que vemos são revertidos em tempo, porque eles estão vindo de uma frente de iluminação, lembra Faccio.

As novas descobertas se aplicam a qualquer tipo de onda. Por exemplo, pode haver certos casos, quando uma onda sísmica salta fora de uma parte inclinada de rocha profunda abaixo da superfície da Terra, apontando a atividade sísmica em um sentido, quando, na verdade, o tremor ocorreu na direção oposta, exemplifica Faccio. [Live Science]

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