A Natureza de Luz: Do Ponto de Visto do Observador

Talvez as evidentes dilatação de tempo e contração do espaço sejam sim­plesmente ilusões criadas pela maneira em que o espaço-tempo transmite a informação de um lugar ao outro. [English] [PDF]

Devemos ter muito cuidado para não pensar subconscientemente no pedaço de papel ou na janela do navegador, sobre ou dentro do qual o diagrama a seguir aparece, como um quadro de referência. É fácil olhar para o diagrama e pensar na posição do fantasma - isto é: o lugar onde o observado estava quando emitiu a luz - como "estacionário".

Mas "estacionário" relativo ao que? Toda a página (ou janela do navegador) pode estar "em movimento". Podemos evitar esse problema de velocidade relativa da seguinte maneira. Considere o instante em que um fóton de luz está emitido pelo observado. Este "instante" ocupa uma período de tempo infinitésimalmente pequeno δt. Consequentemente, todo o movimento no universo está efetivamente "congelado" durante este período. Neste momento, o observado ocupa uma posição definitiva no espaço e no tempo.

O tempo então continua e o fóton afasta-se do seu ponto de partida. No que diz respeito ao fóton, o movimento futuro do observado é irrelevante. Não desempenha mais nenhum papel significativo na determinação do caminho ou destino do fóton. Durante a viagem do fóton, o observador - o destino final do fóton - também é irrelevante. Nem o observado nem o observador influenciam ou afetam a viagem do fóton de forma significativa. Eventualmente, durante um outro período infinitamente pequeno de duração δt, o fóton atinge um átomo no olho do observador, contribuindo para a visão geral do observado como experimentado pelo observador.

Se o observador está ou não em movimento em relação ao ponto de origem do fóton é irrelevante. Isso não afeta o fato de que quando o fóton é absorvido, percorreu uma distância definida e tomou um tempo definido para fazê-lo. Dividir esta distância definitiva por este tempo definido produz uma constante natural chamada a velocidade da luz. No entanto, esta "velocidade" não se aplica apenas à luz. É também a "velocidade máxima" na qual todas as influências podem ser transmitidas de um lugar para outro. É a "velocidade máxima" na qual a informação pode ser propagada.

A conseqüência fundamental dessa "velocidade" máxima para a transferência de informações é que um observador só pode ver - e só pode ser afetado por - eventos passados. Por outro lado, um observado só pode ser visto por - e só pode ter um efeito sobre - um observador no futuro. O que alguém faz "agora" somente pode afetar os outros "mais tarde". Isto não é apenas uma limitação da escala humana e do físico: é uma limitação fundamental incorporada ao próprio tecido da existência. Isso leva a uma consequência adicional.

A realidade, dentro da qual existe qualquer observador específico, só pode possivelmente ser uma pequena parte do totalidade do que existe. A sua realidade compreende apenas a parte de toda a realidade que se encontra dentro de uma esfera "sólida" do espaço-tempo o que é exclusivamente dele, no centro do qual ele reside. O raio desta esfera estende-se longe da posição atual do observador no espaço e para trás da posição atual dele no tempo.

Os pontos equidistantes do observador em direções diferentes podem ser separados por grandes distâncias. E, embora equidistantes para dentro do passado dele, esses pontos equidistantes podem ocupar posições muito diferentes no tempo em relação umas com as outras. Ir para trás para dentro do passado em uma direção não é a mesma coisa que ir para trás para dentro do passado em outra direção. Assim, o próprio tempo, como distância, deve necessariamente ser também uma quantidade vetorial. Do ponto de vista do observador, portanto, apenas as distâncias radiais diretas, dentro da esfera de observação dele, são relevantes ou reais.

O observador pode, em qualquer instante, ver - ou de outra forma ser afetado de forma independente por - eventos dentro desta esfera. É o único e exclusivo universo observável dele. É a única e exclusiva realidade dele. Mas é um universo, ou realidade, o qual o observador si mesmo é fundamentalmente incapaz de influenciar ou mudar. Ele não pode mudar ou influenciar a história que ele pode ver e experimentar.

Se o nosso observador agir de maneira que resulte em sua luz emissora ou alguma outra influência, então essa luz ou influência viaja para fora dele para outra esfera do espaço-tempo - para um outro universo - sobre o qual ele não sabe nada. Ele não pode mudar a sua própria história, mas ele pode influenciar a futura "história" dos outros.

Um Experimento de Pensamento Alternativo

Considere uma nave espacial que compreende 3 módulos iguais. Cada módulo é cilíndrico. Os 3 módulos são conectados em linha para formar um cilindro 3 vezes o comprimento de cada módulo individual. Os módulos são conectados em conjunto por mecanismo de lançamento rápido.

Entre cada par de módulos existe uma mola forte comprimida. Os mecanismos que atam os módulos em conjunto são lançados simultaneamente. As molas aceleram os dois módulos exteriores em direções opostas, longe do módulo central, em uma linha direta. Isto ocorre para que os módulos exteriores viagem para longe do módulo central em uma fração relativisticamente significante da velocidade da luz. Eles continuam a sua viagem em direções opostas indefinidamente.

Cada módulo espacial tem a bordo um relógio preciso. Enquanto os 3 módulos ainda estavam conectados, em outras palavras, antes que os mecanismos de lançamento rápido operassem, os relógios nos 3 módulos foram sincronizados. Eles mostravam exatamente a mesma hora.

Vamos considerar a hora mostrado no relógio de bordo de um dos módulos que "viajaram" comparado com o relógio de bordo do módulo central "estacionário". O módulo que viajou esteve viajando por bastante tempo. Suponhamos que o tempo decorrido mostrado no relógio do módulo "estacionário" é T.

Se o efeito de dilação de tempo da relatividade for verdadeiramente deformando o "tecido" do espaço-tempo, então o tempo decorrido indicado pelo relógio no módulo "em movimento" seria menos do que T. Contudo, para a pessoa a bordo do módulo "em movimento", o tempo parece passar normalmente. Se isto for verdadeiro, o seu relógio deve indicar a mesmo tempo decorrido, ou seja, T. Vamos supor que ambos os relógios indicam um tempo decorrido de T. A pergunta é: o que a tripulação do módulo "estacionário" percebe quanto a hora indicada pelo relógio do módulo "em movimento"?

Para este exercício, tomaremos a liberdade de fazer a suposição de que a informação não pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz. Se esta suposição for alguma vez comprovada estar incorreta, então, o nosso argumento é falho. Contudo, assumindo que isto seja verdadeira, a tripulação do módulo "estacionário" nunca poderá observar a posição real do módulo "em movimento". Nem eles poderão observar alguma vez o tempo real mostrado no relógio do módulo "em movimento". Eles só podem sempre ver, perceber ou por qualquer meio obter informação sobre um "fantasma" passado do módulo "em movimento" e o seu relógio.

Este fantasma passado é o módulo "em movimento" como era no montante de tempo t1 no passado. Aqui, t1 é o tempo que a informação leva para viajar a distân­cia D1 da posição do fantasma ao módulo "estacionário". Desde que a velocidade máxima, na qual a informação pode viajar, é aquela da luz c, esta distância deve ser dada por D1 = c t1. O tempo passado T1, mostrado no relógio do fantasma no tempo passado T no relógio do módulo "estacionário", deve ser dado por T1 = T - t1.

Como o módulo "em movimento" move-se além disso e mais ao longe do módulo "estacionário", o tempo t1 requerido para a informação chegar ao observador no módulo "estacionário" aumentará continuamente. Conseqüentemente, como t1 aumenta, T - t1 reduz. Daqui, o relógio de bordo no fantasma - o que o observador no módulo "estacionário" percebe como sendo o módulo "em movimento" - parece estar correndo lentamente. Os segundos neste relógio remoto são mais longos do que aqueles do relógio local. Além disso, o fantasma cai mais e mais para trás do módulo real, assim continuamente aumentando a distância entre eles.

Vamos agora considerar a distância D1 do fant­asma em relação ao observador, em termos da distância X da realidade para o observador. A intuição sugeriria que, enquanto a realidade viaja mais e mais distante do observador, o fantasma retarda-se mais e mais atrás da realidade. A álgebra à direita consegue uma expressão formal de D1 em termos de X. Isto mostra que se a velocidade v do módulo "em movimento" for uma constante, então a distância D1 será uma fração constante de X. Se o módulo "em movimento" viajasse na velocidade da luz, o seu fantasma viajaria na metade da velocidade da luz. Se o módulo "em movimento" viajasse em um milhão de vezes a velocidade da luz, o seu fantasma viajaria em só 1.000.000/1.000.001 vezes a velocidade da luz, que é 0,999999000c. Conseqüentamente, em qualquer velocidade a real­idade viaja relativamente ao observador, o obser­vador a verá somente como um fantasma que viaja menos que a velocidade da luz.

Naturalmente, a álgebra é um pouco mais complicada para um observador que está localizado fora da linha da trajetória do módulo "em movimento". Contudo, o princípio essencial é o mesmo.

A proporção entre a distância X (do módulo "em movimento") e a distância D (do seu fantasma) para o módulo "estacionário" varia inversamente à velocidade v do módulo "em movimento". As velocidade deles também deve estar nesta mesma proporção. O gráfico à esquerda usa esta proporção para traçar a velocidade do fantasma contra a velocidade do módulo "em movimento" em unidades de c, a velocidade da luz. Ignore somente, por enquanto, a "legalidade" física do módulo que viaja além da velocidade da luz. Vemos que, no entanto rápido o módulo viaja, o seu fantasma - que é para o observador a realidade física eficaz do módulo - nunca pode alcançar a velocidade da luz.

Agora podemos derivar o tempo mostrado pelo relógio de bordo do módulo "em movimento" do ponto da visão do observador a bordo do módulo "estacionário"....

Para o observador a bordo do módulo "estacionário", o fantasma do módulo "em movimento" não é uma ilusão. Ele é a coisa real em todos os sentidos. Ele não é somente a posição de onde a imagem visível do módulo "em movimento" origina-se. Ele é também o lugar de onde a sua influência gravitacional origina-se. Ele é o lugar de origem de todos os efeitos físicos do módulo "em movimento" sobre o módulo "estacionário". Ele é a única conexão do módulo "em movimento" com a quadro de referência do módulo "estacionário". A realidade do próprio módulo "em movimento" está efetivamente fora do universo do módulo "estacionário".

O movimento é relativo. Conseqüentemente, o qual módulo é considerado como "estacionário" e o qual módulo é considerado como "viajando" é arbitrário. Tudo depende o qual módulo atualmente consideramos para ser o "observador". "O observador" e "o observado", por isso, podem ser livremente permutados sem alterar o princípio do nosso experimento. Cada módulo, por isso, pode observar e ser afetado por somente o fantasma do outro. As respectivas realidades dos dois módulos são fundamentalmente incapazes de comunicar diretamente um com o outro. A realidade de cada um pode ser observada e afetada somente pelo fantasma do outro.

Do acima mencionado, vimos que - do ponto de vista do observador - o tempo no módulo "em movimento" dilata-se por um montante dado pela fórmula à direita.

Também vimos que - do ponto de vista do observador- a distância entre o observador e o módulo "em movimento" contrai-se por um montante dado pela fórmula á direita.

Mas isto é uma verdadeira contração de espaço e dilação do tempo? Para responder isto, vamos considerar o terceiro módulo que viajou no sentido contrário. Este terceiro módulo tem uma velocidade em relação ao primeiro módulo "em movimento" que é o dobro da velocidade entre o módulo "estacionário" e o primeiro módulo "em movimento". A um observador a bordo do segundo módulo "em movimento", o fantasma do primeiro módulo "em movimento" estará em uma posição diferente.

A luz do primeiro módulo "em movimento" leva mais tempo para alcançar o segundo módulo "em movimento" do que ele leva para alcançar o módulo "estacionário". O fantasma do primeiro módulo "em movimento" visto pelo observador no segundo módulo "em movimento" será, por isso, mais velho do que o fantasma do primeiro módulo "em movimento" visto pelo observador no módulo "estacionário". Do acima mencionado diagrama, conclui-se:

A distância D2 do segundo fantasma apartir do segundo módulo "em movimento" é, por isso, duas vezes a distância D1 do primeiro fantasma apartir do módulo "estacionário". A distância do segundo módulo "em movimento" do módulo "estacionário" é a mesma que a distância do primeiro módulo "em movimento" do módulo "estacionário", a saber X. A distância do segundo fantasma do módulo "estacionário" D3 é, por isso, D2 - X, conforme abaixo:

Essencialmente, D3 é diferente de D1. Isto signi­fica que dois fantasmas separados existem e que eles ocupam posições diferentes no espaço.

No diagrama seguinte coloco os módulos ligeiramente fora da linha para tornar a ilustração mais clara. Embora, estritamente falando, isto faça a geometria mais complicada, não altera os princípios que estou ilustrando.

Neste diagrama podemos ver que os dois observadores estão observando duas coisas diferentes. Cada fantasma ocupa uma posição diferente no espaço. Os dois fantasmas são também diferentes na idade. O observador "em movimento" está observando um fantasma que é mais velho que o fantasma que está sendo observado pelo observador "estacionário". Conseqüentemente, os dois fantasmas estão também em posições diferentes no tempo. Os dois fantasmas são lugares de onde o real módulo "em movimento" observado já foi.

Além disso, a velocidade na qual o tempo é observado para passar é diferente para cada fantasma. O observador "estacionário" vê o tempo decorrido no relógio dentro do primeiro fantasma como T1, ao passo que o observador "em movimento" vê o tempo decorrido no relógio dentro do segundo fantasma como T2, como mostrado à direita. O observado módulo "em movimento" está movendo-se do observador "em movimento" duas vezes mais rápido que o módulo estacionário. Conseqüentemente, o relógio no segundo fantasma corre a apenas metade da velocidade do relógio no primeiro fantasma.

Lembre-se de que o respectivo fantasma de cada observador não é somente o lugar de onde a imagem de luz do módulo "em movimento" observado origina-se. Ele é também o lugar do qual o observador "sente" a gravitação e todas as outras influências físicas do módulo "em movimento" observado. Para cada observador, o fantasma é a verdadeira coisa. A realidade, para ele, não existe.

Para cada observador, o tempo a bordo do módulo "em movimento" observado é dilatado a uma extensão diferente. Contudo, isto não significa que o tempo em si mesmo está de fato dilatado na proximidade do módulo "em movimento" observado. Se estivesse o caso, teria de ser dilatado em tantos quantos montantes como havia observadores que estavam observando-o. Se em vez de dois módulos observadores tivéssemos um milhão, então o tecido do tempo dentro do espaço na proximidade do módulo "em movimento" observado teria de ser dilatado por um milhão de montantes diferentes simultaneamente. Isto não soa plausível.

Uma visão muito mais plausível é que o tempo simplesmente parece ser dilatado diferentemente a cada observador. A causa desta aparente dilação, por isso, tem a ver com como a informação do módulo "em movimento" observado é transmitida a cada respetivo observador. Deve ter a ver com como o próprio espaço-tempo transmite a informação.

O Qual Sobre uma Viagem de Retorno?

Para isso, substitua nossa nave espacial de 3 módulos por uma nave espacial de 5 módulos. Cada módulo é cilíndrico. Os 5 módulos estão conectados em linha para formar um cilindro 5 vezes o comprimento de cada módulo individual. Os módulos são conectados entre si por capturas de liberação rápida.

Entre cada par de módulos adjacentes é uma mola comprimida forte. Quando a trava que liga um par de módulos adjacentes é liberada, a mola acelera os módulos separados em direções opostas em linha reta. As capturas que ligam o módulo central aos seus dois vizinhos imediatos são lançadas. As molas aceleram os dois pares de módulos ligados em direções opostas para que eles acabem viajando para longe do módulo central em quase a velocidade da luz

Eles continuam em suas jornadas em direções opostas. Depois de cada par de módulos viajar para o que a respectiva equipe percebe ser de 7 anos, cada tripulação libera a captura entre seus pares de módulos. Os dois módulos de cada par são forçados a separar-se pela mola comprimida entre eles.

A mola entre os dois módulos de cada par é tão forte quanto as molas lançadas 7 anos antes entre cada módulo-par e o módulo central. No entanto, cada mola agora precisa apenas acelerar a metade da massa. Consequentemente, acelera seus módulos para uma velocidade maior. O resultado é que dois dos módulos começarão a viajar de volta um para o outro em uma velocidade que se aproxima da luz. Os dois módulos externos continuarão em suas mesmas direções respectivas, mas agora com uma velocidade aumentada. Eles continuam a viajar para sempre.

Eventualmente, os dois módulos que agora estão viajando de volta para o módulo central reconectam-se com ele.

Presumivelmente, há um meio benigno de matar suas vastas velocidades relativas à medida que se encontram. Talvez algum tipo de amortecedor mecânico como antes.

As tripulações nos dois módulos externos foram submetidas a viagens simétricas. A tripulação do módulo central não foi a lugar nenhum. Consideremos agora a relação entre o módulo central "estacionário" e apenas um dos módulos "em movimento", pois está aproximando-se do "estacionário".

O diagrama na esquerda mostra o módulo "em movimento" aproximando-se para o módulo "estacionário" à velocidade v. Abaixo dele são as fórmulas da distância D1 do fantasma e do tempo T1 mostrado no relógio neste fantasma. Em todos os meus cenários, até agora, considero a velocidade do módulo "em movimento" v que é constante. Conseqüentemente, a expressão c / (c + v) é também constante. Isto significa que a velocidade do fantasma é sempre proporcional à velocidade do módulo "em movimento".

Essas fórmulas da viagem da volta são iguais como as fórmulas da viagem da ida. Contudo, para a viagem da volta, a velocidade v é, por convenção, negativa.

Na viagem da ida, como a velocidade do módulo é aumentada linearmente, a velocidade do seu fantasma aumenta somente logaritimamente. Mesmo que a velocidade do fantasma aumente com a velocidade do módulo, os atrasos do fantasma aumentam cada vez mais em relação à realidade do módulo "em movimento". Na viagem da volta, contudo, a velocidade do fantasma aumenta exponencialmente com o aumento linear da velocidade do módulo. Deste modo, na viagem de volta, o fantasma parece viajar em alta velocidade. Assim, há uma enorme assimetria entre a velocidade do fantasma na viagem da ida e a velocidade do fantasma na viagem da volta.

O Paradoxo Trigêmeos

Suponha que os 3 módulos do meio da nave espacial de 5 módulos cada um contém um dos três trigêmeos. Um dos trigêmeos está no módulo do meio, que, durante todo o experimento de 14 anos, não vai a lugar nenhum. Os outros dois trigêmeos viajam para fora em direções opostas por 7 anos e depois passam 7 anos voltando para o irmão no módulo do meio. Eles são todos da mesma idade quando retornam? Ou o tempo para os trigêmeos viajantes dilatou-se, deixando-os mais novos do que o irmão "estacionário"?

Enquanto eles viajam em relação um ao outro, em uma proporção significativa da velocidade da luz, a realidade de cada um dos trigêmeos está fora dos horizontes do eventos de seus dois irmãos. Cada um está, de fato, totalmente desconectado da realidade de seus irmãos. Cada um é, portanto, de fato, em um universo diferente. Os únicos aspectos de seus irmãos, que estão dentro do horizonte de eventos de qualquer um dos trigêmeos, são fantasmas relativistas deles.

Do ponto de vista do trigêmeo "estacionário", os relógios fantasmas de seus dois irmãos viajantes parecem estar a correr a uma velocidade diferente do próprio relógio dele. Os relógios deles parecem estar a correr mais devagar enquanto recuar e mais rápido enquanto eles aproximam-se. Do ponto de vista de qualquer um dos trigêmeos viajantes, o relógio dentro do fantasma do seu irmão "estacionário" parece estar funcionando mais devagar ou mais rápido de acordo com se ele está recuando ou aproximando-se.

As viagens dos dois trigêmeos viajantes são idênticas, exceto que viajaram em direções opostas. Não há evidências de supor que a taxa em que o tempo passa seja diferente em uma direção do que em outra. Conseqüentemente, não deve importar como o relógio dentro do fantasma do módulo de um trigêmeo viajante pareciam comportar-se do ponto de vista do outro trigêmeo viajante durante a jornada. O tempo real para cada um deveria ser o mesmo quando eles se reuniam. Ambos devem ter envelhecido pelo mesmo montante, ou seja, 14 anos.

No início de sua jornada, cada um dos dois trigêmeos viajantes foi acelerado para uma grande proporção da velocidade da luz. Suas respectivas acelerações estavam em direções diferentes. Mas o efeito temporal da aceleração em um corpo deve ser independente da direção espacial. Conseqüentemente, uma vez que eles aceleraram-se pela mesma quantidade, qualquer efeito temporal resultante, sofrido pelos dois trigêmeos viajantes, deve ter sido o mesmo. Suas acelerações não poderiam, portanto, ter produzido uma dilatação de tempo duradoura entre eles.

Durante a sua jornada, cada trigêmeo viajante observa o seu irmão como um fantasma, para quem o tempo passa mais devagar enquanto se afasta e mais rápido enquanto se aproxima. Mas uma vez reunidos, o tempo para ambos é o mesmo. Sua ilusão de dilatação ou compressão do tempo é, portanto, uma função de como a taxa de expansão ou contração da distância entre eles afeta o transporte de informações entre eles. Não tem nada a ver com o espaço que cada um ocupa ou com a posição dele em relação a qualquer outra posição no espaço e no tempo. Consequentemente, qualquer ilusão desse tipo só pode existir desde que exista uma montante de espaço entre eles. Portanto, não há motivo para supor que o irmão "estacionário" deles, no evento da reunificação de todos os três, não deveria ser o mesmo.

Na verdade, se quando eles se reunirem, os trigêmeos não fossem todos da mesma idade, então deve ser possível que dois pontos diferentes no tempo existam em um ponto único no espaço, o que é um absurdo. Apesar de tudo o que precede, como descrito em um artigo anterior, a aparente dilatação e a compressão no tempo, durante as viagens, são apenas evidentes para o tempo no plano perpendicular à linha de viagem. O tempo ao longo do eixo de viagem sofre apenas a ilusão de assimetria cíclica.


Temos de explorar o comportamento do módulo e dos seus fantasmas mais completamente. Contudo, para fazer isto, devemos ter muito cuidado sobre como representamos o parâmetro mais fundamental aqui implicado, a saber o tempo.


© 17 agosto 2006 Robert John Morton | ANTE | PROX