A informação pode viajar mais rápido que a luz?

Um dos princípios da Teoria da Relatividade Especial de Einstein é que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo. A velocidade da luz é considerada o limite de velocidade universal de tudo, e isso é amplamente aceito pela comunidade científica. Mas na ciência, se você fizer uma regra rígida, alguém tentará refutá-la, ou pelo menos encontrar uma brecha. E a velocidade da luz não é exceção.

Leve, no vácuo, viaja a aproximadamente 299.792 quilômetros por segundo (186.282 milhas por segundo). Em setembro de 2011, os físicos que trabalhavam no Projeto Oscilação com Aparelho de Acompanhamento de Emulsões (OPERA) criaram um frenesi na comunidade científica quando anunciaram que seus experimentos resultaram em partículas subatômicas chamadas neutrinos viajando da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) perto de Genebra. , Suíça para o Laboratório Nacional Gran Sasso perto de L'Aquila, Itália e chegando cerca de 60 nanossegundos antes de um feixe de luz. Idéias sobre como esses neutrinos poderiam ter realmente quebrado a velocidade da luz, ou sobre quais erros poderiam ter causado os resultados impossíveis, abundavam. Finalmente, problemas de equipamento, incluindo um cabo solto, foram descobertos como prováveis ​​culpados, e os resultados foram declarados errôneos.

Outros pesquisadores estão tentando burlar as regras em vez de quebrá-las. De fato, dobrar o espaço-tempo é uma teoria de como as velocidades superluminais – mais rápidas que a luz – nas viagens espaciais podem ser alcançadas. A ideia é que o espaço-tempo poderia ser contraído na frente de uma nave espacial e expandido atrás dela, enquanto a nave permaneceria estacionária em uma bolha de dobra que se moveria mais rápido que a velocidade da luz. Este conceito foi originalmente modelado pelo físico teórico mexicano Miguel Alcubierre em 1994 como uma possibilidade teórica, mas que exigiria uma quantidade de energia negativa do tamanho de um universo para alimentar o fenômeno. Mais tarde, foi refinado para exigir uma quantidade do tamanho de um planeta e, novamente, para precisar de uma quantidade em torno do tamanho da sonda espacial Voyager 1. Infelizmente, a energia negativa teria que vir de matéria exótica que é difícil de encontrar, e atualmente estamos apenas no nível de experimentos de laboratório em miniatura em unidades de dobra. A matemática por trás dessas teorias é baseada nas leis da relatividade, então teoricamente não estaria quebrando as regras. A tecnologia, se existir, também pode ser usada para ir mais devagar que a luz, mas muito mais rápido do que podemos ir agora, o que pode ser mais prático.

As viagens espaciais são apenas uma das possíveis aplicações para atingir ou exceder a velocidade da luz. Alguns cientistas estão trabalhando para fazer o mesmo para fins de transferência de dados muito mais rápida. Continue lendo para saber mais sobre as velocidades de dados atuais e o potencial de informações mais rápidas que a luz.

Atualmente, a maioria de nossos dados trafega por fio de cobre ou cabo de fibra ótica . Mesmo quando enviamos dados por meio de nossos telefones celulares por ondas de rádio, que também viajam na velocidade da luz, eles acabam atravessando as redes cabeadas da Internet em algum momento. Os dois tipos mais comuns de fio de cobre para transferência de informações de longa distância são o par trançado (usado primeiro para telefonia e depois para Internet discada e DSL ) e cabo coaxial (usado inicialmente para TV a cabo, depois Internet e telefone). O cabo coaxial é o mais rápido dos dois. Mas ainda mais rápido é o cabo de fibra óptica. Em vez de usar cobre para conduzir dados na forma de sinais elétricos, o cabo de fibra óptica move os dados como pulsos de luz.

A referência "no vácuo" na página anterior em relação à velocidade da luz é importante. A luz através da fibra óptica não é tão rápida quanto a luz através do vácuo. A luz, quando se move através de qualquer meio, é mais lenta que a constante universal que conhecemos como velocidade da luz. A diferença é insignificante através do ar, mas a luz pode ser reduzida consideravelmente através de outros meios, incluindo vidro, que compõe o núcleo da maioria dos cabos de fibra óptica. O índice de refração de um meio é a velocidade da luz no vácuo dividida pela velocidade da luz no meio. Então, se você conhece dois desses números, pode calcular o outro. O índice de refração do vidro é em torno de 1,5. Se você dividir a velocidade da luz (aproximadamente 300.000 quilômetros, ou 186.411 milhas, por segundo) por isso, você obtém cerca de 200.000 quilômetros (124.274 milhas) por segundo, que é a velocidade aproximada da luz através do vidro. Alguns cabos de fibra óptica são feitos de plástico, que tem um índice de refração ainda maior e, portanto, uma velocidade menor.

Parte da razão para a diminuição da velocidade é a natureza dual da luz. Tem os atributos de uma partícula e de uma onda. A luz é, na verdade, composta de partículas chamadas fótons , e elas não se movem em linha reta através do cabeamento. À medida que os fótons atingem as moléculas do material, eles saltam em várias direções. A refração e absorção da luz pelo meio eventualmente levam a alguma perda de energia e dados. É por isso que um sinal não pode viajar indefinidamente e precisa ser reforçado periodicamente para cobrir longas distâncias. No entanto, a desaceleração da luz não é uma má notícia. Algumas impurezas são adicionadas à fibra óptica para controlar a velocidade e auxiliar na canalização do sinal de forma eficaz.

O cabo de fibra óptica ainda é muito mais rápido que o fio de cobre e não é tão suscetível à interferência eletromagnética. A fibra pode atingir velocidades de centenas de Gigabits por segundo, ou mesmo Terabits. As conexões de Internet domésticas não atingem essas velocidades super altas, pelo menos parcialmente porque a fiação está sendo compartilhada por muitas residências em áreas inteiras, e mesmo as redes que usam fibra ótica geralmente têm cobre percorrendo o último trecho nas casas das pessoas. Mas com a fibra indo até o seu bairro ou casa, você pode obter algo na faixa de 50 a 100 Megabits por segundo de transferência de dados, comparado a 1 a 6 Megabits por segundo de linhas DSL médias e 25 ou mais Megabits por segundo do cabo. As velocidades de dados reais variam muito de acordo com o local, provedor e plano escolhido, é claro.

Há também outras coisas que causam latência de sinal (atraso), como a comunicação de ida e volta necessária quando você acessa uma página da Web ou faz download de dados (handshake). Seu computador e o servidor que hospeda os dados estão se comunicando para garantir que estejam sincronizados e a transferência de dados seja bem-sucedida, causando um atraso, embora breve e necessário. A distância que seus dados precisam percorrer também afetará o tempo que leva para chegar lá, e pode haver gargalos adicionais em qualquer hardware e cabeamento pelos quais os dados precisam percorrer para chegar ao seu destino. Um sistema é tão rápido quanto seu componente mais lento, e cada milissegundo conta nos dias de comunicação aparentemente (mas não realmente) instantânea.

Houve avanços recentes na transferência de dados por fiação de cobre em velocidades próximas da fibra óptica, reduzindo a interferência e outras técnicas. E os pesquisadores também estão trabalhando na transmissão de dados via luz pelo ar, digamos, usando lâmpadas para WiFi ou transmitindo feixes de laser de um prédio para outro. Novamente, a luz através do ar se move perto da velocidade da luz, mas nada que temos agora está ultrapassando o limite de velocidade. Podemos alcançar uma transferência real mais rápida que a luz?

Telefone sem fio de Alexander Graham Bell

O uso de cabos de fibra óptica não foi a primeira tentativa de aproveitar a luz para a transferência de dados. O próprio Alexander Graham Bell inventou o fotofone, que foi essencialmente o primeiro telefone sem fio, mas usando luz em vez das ondas de rádio usadas pelos telefones celulares modernos. Funcionava projetando uma voz em direção a um espelho, o que fazia o espelho vibrar. A luz do sol foi refletida do espelho vibratório em um receptor de selênio que a converteu em uma corrente elétrica para transmissão via telefone (sua invenção mais famosa). Sua principal falha era que a luz solar direta era necessária, então nuvens ou outros objetos poderiam bloquear o sinal. Não importa fazer uma ligação no meio da noite. Mas realmente funcionou e serviu como predecessor da fibra óptica.

Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) afirmam ter alcançado uma transferência mais rápida que a luz de dados quânticos usando algo chamado mistura de quatro ondas, que aliás é um fenômeno considerado uma forma de interferência em linhas de fibra óptica . O experimento envolve o envio de um pulso de semente curto de 200 nanossegundos através de vapor de rubídio aquecido e, ao mesmo tempo, o envio de um segundo feixe de bombaem uma frequência diferente para amplificar o pulso de semente. Os fótons de ambos os feixes interagem com o vapor de uma forma que gera um terceiro feixe. Aparentemente, os picos do pulso de semente amplificado e do pulso recém-gerado podem sair mais rápido do que um feixe de referência viajando à velocidade da luz no vácuo. As diferenças de velocidade que eles relataram foram de 50 a 90 nanossegundos mais rápidas que a luz através do vácuo. Eles até proclamaram ser capazes de ajustar a velocidade dos pulsos alterando a dessintonização e a potência da semente de entrada.

Outra tecnologia de transferência rápida de dados em andamento é o teletransporte quântico, que se baseia na existência de pares emaranhados: duas partículas que estão em sintonia uma com a outra a ponto de, se você medir uma, a outra acabar com a mesma qualidade que você encontrou na primeira, não importando a distância de uma. outro. Isso também requer uma terceira partícula que contém os bits reais de dados que você está tentando transferir. Um laser é usado para teletransportar uma das partículas emaranhadas para outro lugar, por assim dizer. Não é realmente transportar um fóton, mas sim transformar um novo fóton em uma cópia do original. O fóton no par emaranhado pode ser comparado ao terceiro fóton para encontrar suas semelhanças ou diferenças, e essa informação pode ser retransmitida para o outro local e usada para comparação com a partícula gêmea para coletar os dados. Isso soa como algo que resultaria em transferência instantânea, mas esse não é o caso. Os raios laser só viajam na velocidade da luz. Mas isso tem aplicações potenciais para enviar dados criptografados via satélite e para computadores quânticos em rede, caso os inventemos. E está mais adiantado do que qualquer tentativa de transferência de dados superluminais. Ele funciona por quilômetros neste ponto, e os pesquisadores estão tentando aumentar a distância de teletransporte.

A resposta para saber se informações significativas podem viajar mais rápido que a luz atualmente é não. Estamos apenas no nível de mover algumas partículas quânticas em velocidades que podem estar acima da velocidade da luz, se os dados se espalharem em experimentos subsequentes. Para ter uma forma de transferência de dados praticamente aplicável, você precisa ser capaz de enviar bits organizados de dados que signifiquem algo, incorruptos, para outra máquina que possa interpretá-los. A transmissão mais rápida do mundo não significará nada de outra forma. Mas você pode ter certeza de que, se a velocidade da luz for quebrada, nós a aplicaremos em nossas transmissões pela Internet muito mais cedo do que em viagens interestelares. Nossa capacidade de assistir à televisão da mais alta qualidade e navegar na Internet nas velocidades mais rápidas será fundamental. E talvez para esses propósitos,

Nota do autor

A física é um assunto verdadeiramente fascinante, pois tenta encontrar a resposta de como tudo no universo funciona. Sem o estudo da física, provavelmente não teríamos muitas conveniências modernas, por exemplo, aquelas que requerem eletricidade ou dependem do comportamento de ondas de qualquer tipo (como quase todas as formas de comunicação de longa distância). Você certamente não estaria lendo isso agora. Sem uma compreensão das leis físicas, levantar um piano seria mais difícil, os videogames não seriam tão divertidos (ou existiriam), e os animadores de desenhos animados não saberiam quais leis quebrar para nos fazer rir. E certamente não teríamos nos aventurado no espaço, uma habilidade que precisaremos se descobrirmos, via astrofísica ou um observador perspicaz, que um asteroide destruidor de planetas está vindo em nossa direção. Também, parabéns à matemática por tornar possível o estudo da física. Continuarei a sentar e colher os benefícios possibilitados por todos os matemáticos, físicos e engenheiros que trabalham duro no mundo.

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