Bem vindo ao Giz Asks, uma série em que fazemos perguntas para especialistas sobre ciência, tecnologia e o futuro da humanidade. Hoje, estamos pensando na “velocidade da escuridão”, e, nessa linha, sobre a natureza científica de “velocidade” e “escuridão”.

A velocidade da luz é uma das constantes mais importantes da física. Medida pela primeira vez pelo astrônomo dinamarquês Olaus Roemer em 1676, foi Albert Einstein que percebeu que a luz define a velocidade limite do nosso universo, de 299.792.458 metros por segundo. Mas enquanto a velocidade da luz é enfiada na cabeça de jovens físicos logo cedo, a lei de Einstein também estabelece que todo movimento é relativo, o que nos fez pensar: qual a velocidade do eterno oposto da luz, a escuridão?

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Nós não somos os primeiros a fazer essa pergunta (foi o comediante Steven Wright) nem a levar a sério, mas ao fazer essa pergunta para cientistas e pesquisadores, nós deixamos a interpretação de “escuridão” em aberto, provocando respostas fascinantes de especialistas em buracos negros e física quântica. Parece que a escuridão pode ser tão rápida quanto a luz, ou ela pode ser infinitamente mais lenta, depende da sua perspectiva.

George Musser

Editor colaborador das revistas Scientific American e Nautilus, autor de Spooky Action at a Distance: The Phenomenon That Reimagines Space and Time—and What It Means for Black Holes, the Big Bang, and Theories of Everything e de The Complete Idiot’s Guide to String Theory

A velocidade do escuro? A resposta simples é que é só a velocidade da luz. Apague o sol, e o nosso céu vai ficar escuro oito minutos depois. Mas fácil é chato! Pra começar, o que nós geralmente chamamos de “velocidade da luz” é a velocidade da propagação, o que nem sempre é o fator definitivo. Uma sombra se espalha pela paisagem a uma velocidade governada pelo objeto que a projeta. Por exemplo, enquanto a luz de um farol gira, ela ilumina a paisagem em intervalos regulares. A velocidade do chão de sua sombra aumenta com a distância do farol.

Se afaste o bastante, e a sombra vai passar por você mais rápido do que a propagação da velocidade da luz (isso acontece de verdade em estrelas rotatórias de nêutron no espaço, com consequências mensuráveis). Tudo o que a velocidade da luz significa nesse caso é que existe um atraso: se o farol aponta para 12 horas, você vai ver o brilho um pouco mais tarde. Mas isso não altera o ritmo dos eventos que você vê na sua localização.

Já que estamos falando isso, a escuridão existe de fato? Se você apagar o Sol, a Terra não ficaria completamente escura. Luz das estrelas, nebulosas e do Big Bang continuariam a encher o céu. O planeta e tudo nele, incluindo nossos corpos, brilhariam em infravermelho. Dependendo de como, exatamente, você conseguiria apagar o Sol, ele continuaria a brilhar durante muito tempo. Enquanto conseguirmos ver, vamos enxergar alguma coisa.

Nenhum detector de luz consegue registrar escuridão total, porque até as flutuações quânticas produzem pequenos brilhos de luz. Até um buraco negro, o objeto mais escuro que podemos conceber, emite alguma luz. Na física, diferente da percepção humana, a luz sempre espanta a escuridão.

Escuridão não é uma categoria física, mas um estado mental. Fótons atingindo, ou não atingindo, as células da retina podem causar a experiência, mas não explica a experiência subjetiva da escuridão, assim como o comprimento das ondas não explica a experiência das cores e sons. A nossa experiência consciente muda de momento para momento, mas os instantes individuais daquela experiência são eternos. Nesse sentido, escuridão não tem velocidade.

E a velocidade em geral, existe tal coisa? Ela pressupõe uma estrutura de espaço, e cientistas enxergam fenômenos em física quântica onde conceitos espaciais parecem não ser aplicáveis, sugerindo para algumas pessoas que o espaço é derivado de outro grau mais fundamental de realidade, onde não existe algo como posição, distância ou velocidade. Deve ser nesse nível que Steven Wright opera.

Avi Loeb

Professor Frank B. Baird Jr. de Ciência da Universidade de Harvard, cadeira do Departamento de Astronomia de Harvard, Diretor Fundador da Black Hole Initiative (BHI)

Perto de um buraco negro, a matéria cai a uma velocidade próxima da velocidade da luz. Quando entra no horizonte de eventos dos buracos negros, nada pode escapar. Até a luz fica presa dentro do horizonte para sempre. Dessa forma, buracos negros podem ser vistos como a prisão definitiva.

Uma estrela como o Sol pode ser triturada (“transformada em espaguete”) em um rio de gases se passar próxima de mais de um grande buraco negro, como o que existe (pesando seis bilhões da massa solar) no centro da Via Láctea.

Conforme a matéria entra no buraco negro, ela costuma se esfregar nela mesma e esquentar. Como resultado, ela irradia. Se a taxa de acréscimo é alta o bastante, a força da radiação vazando para fora pode potencialmente impedir matéria adicional de entrar.

Observamos que muitos dos maiores buracos negros do universo, pesando bilhões de massas solares, crescem na maior taxa possível (também chamada de limite de Eddington, batizado por causa de Sir Arthur Eddington que descobriu teoricamente a maior saída de radiação possível para a gravidade superar a força da radiação).

Neil DeGrasse Tyson

Diretor do Hayden Planetarium no Rose Center for Earth and Space, pesquisador associado e fundador do Department of Astrophysics no American Museum of Natural History, apresentador de Cosmos: Uma Odisséia no Espaço

A velocidade da escuridão… Considere que a escuridão é apagada pela luz. A luz a apaga na velocidade da luz, então a velocidade da escuridão seria a negativa da velocidade da luz. Se a luz é um vetor, ela tem magnitude e direção, então… chamar de negativo significa que vai na direção negativa. A escuridão está recuando ao invés de avançar. Eu chamaria de negativa à velocidade da luz.

Sarah Caudill

Pesquisadora de pós-doutorado no Leonard E. Parker Center for Gravitation, Cosmology & Astrophysics, Universidade de Wisconsin-Milwaukee

Um buraco negro tem uma gravidade tão forte que nem a luz pode escapar depois de passar pelo horizonte de eventos, uma fronteira invisível que marca o ponto de não retorno. Pelo fato do buraco negro ter uma gravidade tão forte, a dilatação do tempo afeta as observações de fora do forte campo gravitacional.

Por exemplo, um observador afastado vendo um objeto brilhante entrar no buraco negro vai enxergar ele diminuindo de velocidade e apagando, eventualmente ficando tão escuro que não pode mais ser visto. Esse observador não vai ver o objeto passar pelo horizonte de eventos.

Nós também podemos ter a perspectiva de coisas caindo no buraco negro, ao invés de um observador distante. Por exemplo, se pegarmos um buraco negro no meio de uma brilhante nuvem de gás, digamos criada por uma estrela que foi destruída ao passar próxima de mais de um buraco negro, o material irá formar um disco achatado, conhecido como disco de acreção. Esse gás irá cair no buraco negro, mas não é instantâneo.

Existe um limite de velocidade causado pela pressão de radiação do gás quente que luta contra a força que puxa pra dentro da gravidade do buraco negro. Conforme o gás cai dentro do buraco negro, o buraco negro cresce em tamanho. Se um buraco negro que é 10 vezes mais pesado do que o nosso Sol estiver acrecendo na maior taxa possível, em cerca de um bilhão de anos ele terá alcançado 100 milhões de vezes a massa do nosso Sol.

David Reitze

Diretor executivo do LIGO Laboratory no California Institute of Technology

Basicamente, depende se você é a matéria sendo consumida pelo abismo infinito de um buraco negro ou se você está longe o bastante para ser um observador imparcial vendo outra pessoa cair no abismo infinito. Se você for a matéria infeliz caindo, a velocidade é potencialmente muito grande, a princípio se aproximando da velocidade da luz.

Se você é o observador e está longe o bastante, a velocidade diminui consideravelmente por causa de um efeito chamado de dilatação de tempo gravitacional, os relógios andam mais devagar em campos gravitacionais e bem mais devagar em campos gravitacionais imensos próximos do horizonte de eventos de um buraco negro.

Por ‘longe o bastante’, eu quero dizer que no seu campo de referência local, sua posição relativa ao buraco negro (não ser sugado por ele, por exemplo) e o seu relógio local não ser afetado pelo campo gravitacional do buraco negro. Na verdade, para a pessoa distante vai levar uma quantidade infinita de tempo para algo passar pelo horizonte de eventos do buraco negro.

Niayesh Afshordi

Professor associado de Astrofísica e Gravitação do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Waterloo, Faculdade Associada de Cosmologia e Gravitação do Perimeter Institute for Theoretical Physic (PI)

Eu acredito que a velocidade “da escuridão” é infinita! Em física clássica, a vastidão escura do espaço pode ser apenas vácuo vazio. No entanto, aprendemos da mecânica quântica que não existe escuridão verdadeira ou espaço vazio. Até onde não existe luz que possamos ver, campos eletromagnéticos flutuam para dentro e fora da existência, especialmente em pequenas escalas e curtos intervalos de tempo. Até as ondas gravitacionais, as ondulações na geometria do espaço tempo que recentemente foram observadas pelo observatório LIGO, devem possuir essas flutuações quânticas.

O problema é que a gravidade dessas ondulações quânticas é infinita. Em outras palavras, atualmente não existe uma boa teoria da gravidade quântica com a qual as pessoas consigam concordar. Uma forma de evitar o problema é se essa velocidade “da escuridão”, ou seja das ondulações quânticas, vai até o infinito (ou se torna arbitrariamente grande) em pequenas escalas e curtos intervalos de tempo. É claro, essa é apenas uma possibilidade, mas é uma forma simples (e a minha preferida) de entender o big bang, buracos negros, energia escura e gravidade quântica.