Mesmo que você não conheça muito de física, você provavelmente sabe um de seus princípios fundamentais: um objeto em repouso permanece em repouso, e um objeto em movimento permanece em movimento. Na verdade, em um vácuo onde não há literalmente nada para desacelerar as coisas, as coisas não preferem estar em repouso nem em movimento. Isso acontece na vida real o tempo todo, quando você está sentado no banheiro de um avião, por exemplo, você não sente que está se movendo a 800 quilômetros por hora. Você só sente as mudanças de velocidade através dos solavancos.

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Mas pesquisadores da Universidade de Glasgow pensaram em um paradoxo que colocaria esse princípio básico em xeque. Eles descobriram casos em que átomos em movimento (mas não estacionários) cuspindo pacotes de energia de luz trariam à existência uma pequena força que agiria como fricção e então publicaram uma pesquisa sobre isso no início deste ano. A força que existe quando um objeto está se movendo, mas não quando está parado, viola os princípios fundamentais das leis de Einstein (e Galileu) de relatividade – não há nada de especial sobre as leis da física quando algo está se movendo a uma velocidade constante contra quando está em repouso. Então, haviam eles acidentalmente visto um pequeno furo nas teorias mais bem aceitas da física?

“Ou nós perdemos algo sutil ou havia algo de errado com as técnicas que toda a comunidade estava usando para analisar as interações luz-matéria”, Stephen Barnett, físico teórico da Universidade de Glasgow, disse ao Gizmodo. Acontece que esse paradoxo apareceu ao deixarem de fora pequenos efeitos de massa e energia no átomo. E, eles dizem, usando apenas as leis clássicas, pré-Einstein da física, eles simultaneamente acabaram com aquela força de atrito e descobriram uma nova maneira para derivar as leis de Einstein.

O paradoxo que surgiu no artigo anterior de Barnett veio da combinação de dois pontos cruciais. Em primeiro lugar, os átomos (que se deslocam ou não) que tenham sido excitados por um choque de energia no passado podem espontaneamente liberar pacotes de energia de luz chamados fótons. Em segundo lugar, fótons agem como partículas e ondas ao mesmo tempo, e qualquer coisa que se comporte como uma onda experimenta o efeito Doppler. Você já experimentou uma espécie de efeito Doppler quando uma ambulância passou por você – as ondas sonoras da sirene são comprimidas quando ela está vindo na sua direção, e alongadas depois que a ambulância passa, mudando o tom da sirene. Com a luz, esse mesmo efeito muda o seu comprimento de onda, ou cor, fazendo com que pareça mais azul ou mais vermelha e, portanto, muda o seu impulso.

Combinando esses fatos, os pesquisadores perceberam que, se um átomo em movimento cuspir um fóton que se move para a frente, um observador veria o átomo perder mais força do que se ele cuspisse um fóton em movimento para trás, graças ao efeito Doppler. As mudanças de momentum no átomo parado – onde não há efeito Doppler – tendem para uma média zero, já que ele recua para compensar o fóton perdido. Essas mudanças não têm média a zero quando o átomo está se movendo. Isso cria uma força de sobra. “Resumindo, temos uma força de atrito associado ao evento de emissão espontânea”, escreveram os pesquisadores. “No entanto, a existência de uma força em um quadro que não existe em outro parece estar em desacordo com ambos os princípios de Galileu e de Einstein da relatividade.”

Eles pensaram ter encontrado uma força que só existe quando o átomo está em movimento, e isso é ruim.

Fazendo algumas contas e checando a base da física moderna, as leis de Newton, os investigadores encontraram a solução para essa violação. Ambos os pacotes de luz e átomo contêm impulso, que é matematicamente igual a massa vezes a velocidade. Na física do ensino médio, você apenas mantém a massa constante e só deixa a velocidade mudar quando calcula uma mudança no impulso. Mas os pesquisadores pensaram: bem, e se refizéssemos toda a física nessa situação, mas permitíssemos que a massa do átomo também mudasse?

Isso, ao que parece, resolve o paradoxo do átomo em movimento perder uma pequena quantidade de massa através da emissão de energia, eliminando a necessidade de uma força de atrito dependente da velocidade. Basicamente, eles se depararam com a mais famosa equação de Einstein, E=mc^2, demonstrando que a energia e a massa são proporcionais usando as leis básicas da física.

“Nós empregamos uma análise totalmente não-relativista para chegar a um paradoxo cuja única resolução parece implicar a necessidade de uma característica central da relatividade especial”, de acordo com o artigo publicado na semana passada no Journal of Modern Optics. Basicamente, sem usar a teoria da relatividade especial de Einstein, os pesquisadores resolveram o seu paradoxo e, simultaneamente, descobriu que a idéia central da relatividade, que energia e massa são equivalentes, aparece independentemente.

O físico John Baez, da Universidade da Califórnia, Riverside enfatizou uma das linhas do artigo: “Podemos refletir sobre o ponto em que a relatividade infiltrou em nossa análise ou simplesmente nos maravilharmos com a forma como a física parece cuidar de si mesma”. Outro pesquisador de fora para o qual mandei o artigo, Martin Bojowald, da Universidade Estadual da Pensilvânia, achou que o artigo foi um momento de interessante aprendizado e que ele “fornece uma nova e talvez elegante derivação de e=mc^2”, de acordo com seu email. Ele teve algum problema com a alegação do autor de que eles empregaram uma análise totalmente não-relativista, já que a velocidade da luz permaneceu constante na análise (e esse é um princípio fundamental da relatividade especial). Barnett discordou de Bojowald e disse que o efeito teria aparecido de qualquer forma.

Em última análise, o ponto central do artigo é que a física é estranha e que palavras como “clássica”, “quantum”, e “relativista” são coisas que os humanos inventaram para categorizar um universo que pode realmente se comportar da forma que ele quiser. Ele conclui que “[Física] não tem respeito por nossas tentativas de classificar partes dela como clássica ou quântica, ou como relativista ou não-relativista”.

[Journal of Modern Optics]

Imagem do topo: Robert Couse-Baker/Flickr