Cientistas estão tentando provar que a velocidade da luz diminuiu

Em 1905, Albert Einstein, então com 26 anos, mudou a física para sempre quando esboçou sua teoria da relatividade especial. Como muitos de nós aprendemos na escola, o estudo trata da relação entre espaço e tempo e está baseado em duas premissas fundamentais: 1) as leis da física são as mesmas para todos os observadores que não estão em aceleração e 2) a velocidade na luz no vácuo é sempre a mesma.

Ao longo do século 20, as teorias da relatividade de Einstein (especial e geral) resistiram aos testes de verificação experimental e foram utilizadas para explicar uma série de processos físicos, incluindo as origens do universo. Entretanto, no final dos anos 1990, alguns físicos desafiaram uma dessas premissas da teoria da relatividade especial: em vez de uma velocidade da luz constante, eles propuseram que a luz era mais rápida nos primórdios do universo do que é agora.

Essa teoria da velocidade da luz variável foi – e ainda é – controversa. Porém, de acordo com um artigo recente publicado em novembro na revista Physical Review D, ela poderá ser testada, experimentalmente, em um futuro próximo. Se os experimentos validarem a teoria, significa que as leis da natureza não foram sempre iguais ao que temos hoje e exigirão uma revisão séria da teoria da gravidade de Einstein.

"Toda a física está baseada na constância da velocidade da luz", diz João Magueijo, cosmólogo da Imperial College de Londres e pioneiro da teoria da velocidade da luz variável. "Precisávamos descobrir um jeito de mudar o valor da velocidade da luz sem bagunçar tudo.

De acordo com Megueijo, a teoria da velocidade da luz variável (sigla em inglês VSL, variable speed of light) surgiu como uma solução para uma inconsistência antiga da cosmologia conhecida como "o problema do horizonte", que se apresenta quando a velocidade da luz é considerada uma constante.

Se a luz tem um limite de velocidade invariável, significa que, desde o Big Bang, ela só viajou aproximadamente 13,7 bilhões de anos-luz porque esse é o tempo que se passou desde a explosão. A distância que a luz pode viajar desde o Big Bang cria o "horizonte" do universo visível (apesar de que a luz só está viajando há 13,7 bilhões de anos, esse número leva em consideração a expansão do espaço conforme a luz viaja).

Imagine sentar no centro de uma esfera (o universo) com um diâmetro de 47 bilhões de anos-luz. O limite dessa esfera, também conhecido como o horizonte do universo, é a radiação cósmica de fundo (sigla em inglês, CMB, cosmic microwave background) – radiação originada a 400.000 anos após o Big Bang e nosso registro mais antigo do universo; não importa onde você esteja no universo, quando você observa o CMB hoje, ele está a 13,7 bilhões de anos de distância.

É aí que surge o problema: embora qualquer ponto no universo esteja a 13,7 bilhões de anos-luz da radiação cósmica de fundo, a distância que separa um lado do horizonte da CMB de outro (chamaremos isso de o "diâmetro" do universo) é aproximadamente 27,4 bilhões de anos-luz. Em outras palavras, o universo é grande demais para permitir que a luz viaje de uma extremidade a outra durante sua existência, o que é necessário para a homogeneidade observada no CMB.

Quando os cosmólogos observam a radiação cósmica de fundo, ela é bastante uniforme: sua temperatura é de aproximadamente -270 graus Celsius, independentemente de onde for medida, com variações mínimas (uma parte em 100.000). Então, se a luz, que é a coisa mais rápida de todo o universo, não é capaz de viajar de um extremo ao outro ao longo do curso de toda a existência do universo, essa uniformidade observada na CMB seria impossível.

Para entender a situação, imagine uma banheira com uma torneira em cada uma das extremidades. Uma está jorrando água fria e outra, água gelada. Se você desligar as duas, em algum momento, a água na banheira vai atingir uma temperatura uniforme enquanto a água fria e a quente se misturam. Porém, se enquanto as duas torneiras estiverem abertas você resolver esticar a banheira em todas as direções, de maneira tão rápida que a água fria e a quente nunca se encontrarão, um dos lados da banheira sempre estará mais quente que o outro, e não atingirão uma temperatura uniforme.

Foi o que aconteceu durante o Big Bang, com a diferença que em vez de ver partes do início do universo na CMB, que são muito mais quentes ou frias do que as outras, ele é perfeitamente uniforme. Como explicar isso?

A solução mais amplamente aceita para o problema do horizonte é a chamada inflação, que é basicamente o estado em que ocorreu a uniformidade que observamos no CMB quando o universo ainda era muito pequeno e denso, e, assim, manteve essa uniformidade enquanto se expandia. Em nosso exemplo, a água fria e a água quente da banheira atingiam uma uniformidade antes de a banheira se expandir loucamente em todas as direções.

Embora a teoria da inflação preserve a velocidade da luz constante, ela também exige a aceitação da existência de um "campo de inflação", que existiu somente durante um breve período de tempo nos primórdios do universo.

De acordo com os proponentes da teoria da velocidade da luz variável, esse problema pode ser resolvido sem o auxílio da inflação se a velocidade da luz tivesse sido significativamente maior nos primórdios do universo. Isso permitiria que os extremos distantes do universo permanecessem "conectados" conforme o universo se expandia, e justificariam a uniformidade observada no CMB.

Para os físicos teóricos que se pautam no modelo inflacionário do universo, dar espaço para a velocidade da luz variável em vez da constante, é uma forma de "mudar o sinal" de um termo fundamental na teoria da relatividade especial.

"Na maior parte das vezes, mudar esse sinal é uma receita para o desastre, pois a teoria resultante deixaria de ser fisicamente consistente", diz David Marsh, pesquisador sênior e fellow no Centro de Cosmologia Teórica, e que não está envolvido no artigo. "Afshordi e Magueijo apresentaram alguns desafios resultantes dessa mudança, entretanto, é possível perceber que o modelo é teoricamente substancioso. Se ele puder ser posto em prática, certamente trará consequências para toda a física, não somente a cosmologia."

Quão rápida é a velocidade da luz depois do Big Bang? De acordo com Magueijo e seu colega Niayesh Afshordi, professor associado de física e astronomia da universidade de Waterloo, a resposta é "infinitamente" rápida.

Os dois afirmam que a velocidade da luz é ao menos 32 ordens de magnitude mais rápida do que o atualmente aceito, de 300 milhões de metros por segundo – somente os menores limites da velocidade da luz mais rápida. Conforme você se aproxima do Big Bang, a velocidade da luz se aproxima do infinito.

Desse ponto de vista, a velocidade da luz era mais rápida porque o universo era incrivelmente quente no início. De acordo com Afshordi, sua teoria exige que o início do universo fosse ao menos 1.028 graus celsius (para colocar em perspectiva, a maior temperatura capaz de ser atingida no planeta é de aproximadamente 1.016 celsius, 12 ordens de magnitude a menos).

Conforme o universo se expandiu e resfriou, a luz passou por uma mudança de fase – mais ou menos quando a água em estado líquido se torna gelo quando a temperatura atinge certo limite – e atingiu a velocidade que conhecemos hoje: 300 milhões de metros por segundo. Assim como o gelo não vai ficar mais "gelado" se a temperatura cair, a velocidade da luz não diminuiu desde que atingiu os 300 milhões de metros por segundo.

Se a teoria de Magueijo e Afshordi sobre a velocidade da luz variável estiver correta, então a velocidade da luz diminui de um modo previsível, o que significa que, com instrumentos bastante sensíveis, esse decaimento da velocidade da luz poderá ser medido. E foi exatamente o que eles fizeram no artigo.

De acordo com Afshordi, a existência de galáxias e demais estruturas do universo somente é possível por causa das flutuações na densidade dos primórdios do universo. Essas flutuações na densidade estão registradas na radiação cósmica de fundo na forma de um "índice espectral", imaginado como as "cores" dos primórdios do universo. A base neutra do índice espectral é 1, que seria um universo com a mesma magnitude das flutuações gravitacionais em todas as escalas. Acima desse valor, o universo é "azul" (representando as flutuações de ondas de luz curtas) e, abaixo dele, o universo é "vermelho" (representando as flutuações de ondas de luz longas).

Embora o modelo inflacionário do universo também tivesse um índice espectral "vermelho", não é possível calcular seu valor justamente por causa das flutuações gravitacionais dos primórdios do universo. Em seu artigo, Magueijo e Afshordi estipularam ao índice espectral o valor de 0,96478, levemente vermelho, duas ordens de magnitude mais preciso do que as medições atuais do índice espectral (cerca de 0,968).

Agora que eles utilizaram a velocidade da luz variável para estabelecer um número ao índice espectral, o que resta saber é se os experimentos cada vez mais sensíveis que investigam o CMB e a distribuição das galáxias vão confirmar ou derrubar sua teoria. Magueijo e Afshordi esperam que os resultados estejam disponíveis ainda nesta década. Entretanto, Marsh e outros físicos não estão muito certos disso.

"Comparado ao modelo da inflação, o de Afshordi e Magueijo é, no momento, bastante complicado e pouco compreendido", afirmou Marsh. "Entretanto, a entendimento total da inflação se desenvolveu ao longo de 35 anos e ainda há questões teóricas importantes em aberto nessa estrutura. É possível que, com mais tempo e pesquisa, o cenário teórico desse modelo será mais bem compreendido e suas previsões, mais elegantes."

Se a teoria estiver correta, ela irá de encontro a um dos principais axiomas subjacentes à teoria especial da relatividade de Einstein e forçará os físicos a reconsiderar a natureza da gravidade. Entretanto, de acordo com Afshordi, é razoavelmente aceitável, na comunidade física, que a teoria da gravidade de Einstein não poderia explicar tudo e que uma teoria quântica da gravidade enfim chegará para substituí-la. Existem várias teorias gravitacionais quânticas competindo entre si, porém, se a da velocidade da luz variável apresentada no artigo em questão se mostrar válida, ela limitará the quantidade de teorias plausíveis para a gravidade quântica.

"Se você realmente deseja explorar a gravidade quântica, é melhor seguir sem a teoria da inflação", afirmou Magueijo. "A inflação deixa a física básica completamente intocada, e se trata de um mecanismo de insuflar o universo observável para além da relatividade. A velocidade da luz variável remonta às bases da física e sugere que possa ter algo além da relatividade. Esta é a melhor oportunidade para explorar ideias e teorias novas."

Tradução: Amanda Guizzo Zampieri