Espaço ou tempo? Descoberta luz que aparece e some do nada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/04/2025

Repensando o tempo e o espaço: Um novo olhar para essas dimensões básicas abre portas para novos fenômenos, como os chamados eventos espaço-tempo-topológicos, e suas aplicações tecnológicas.
[Imagem: A. Szameit/Universität Rostock]

Nova dimensão da luz

Físicos das universidades de Rostock (Alemanha) e Birmingham (Reino Unido) descobriram emissões de luz que parecem surgir do nada e igualmente desaparecem no nada.

À primeira vista parece mágica, mas as profundas raízes matemáticas da descoberta quebram um paradigma da física e vai exigir que os cientistas repensem o papel que a dimensão do tempo desempenha na nossa realidade.

E a descoberta também tem efeitos práticos, abrindo caminho para aplicações fotônicas protegidas contra todos os tipos de perturbações externas, o que é particularmente interessante para a computação quântica.

Embora Einstein tenha unificado as dimensões do tempo e do espaço em um espaço-tempo - na teoria da relatividade especial, publicada em 1905 - o tempo continua guardando suas idiossincrasias, escapando das nossas interpretações. Por exemplo, enquanto podemos nos mover livremente no espaço, o tempo é uma via de mão única - o relógio só anda para frente, nunca para trás.

Talvez por causa dessa sua singularidade, o tempo como uma dimensão tem recebido muito menos atenção do que o espaço.

Isso só começou a mudar há pouco anos, graças aos cristais do tempo, e, ainda mais recentemente, aos cristais espaço-temporais, objetos com padrões repetitivos no tempo e no espaço, que estão inspirando uma releitura do papel que o tempo deve desempenhar em nossa compreensão da física.

É aí que entra a nova descoberta anunciada agora.

Espaço, tempo e topologia espaço-temporal.
[Imagem: Joshua Feis et al. - 10.1038/s41566-025-01653-w]

Não é bíblico, é matemático

Durante seus experimentos envolvendo cristais de luz e topologia, a equipe descobriu que luz pode ser levada a ficar como que "colada" a um ponto específico no espaço-tempo.

Pense assim: No espaço, a luz pode se mover de um ponto para outro; no tempo, ela pode acender em um momento e apagar noutro; mas no espaço-tempo ela faz as duas coisas, acendendo ou apagando em um ponto específico no espaço e no tempo, sem qualquer propagação aparente.

"É quase bíblico: no princípio, não havia nada. Então a física diz: 'Haja luz!', e de fato há luz - em um momento preciso no tempo e em um ponto específico no espaço," entusiasma-se o professor Alexander Szameit, coordenador da equipe.

Mas não tem nada de milagroso, e esses flashes fugazes de luz, que aparecem e somem como que por encanto, têm raízes matemáticas profundas, no campo da topologia, que tem a ver com as propriedades globais de um material que não podem ser alteradas sem alterá-lo fundamentalmente - a topologia é um ramo fundamental da matemática que estuda as propriedades dos espaços que são preservadas por deformações contínuas, como alongamentos, torções e dobras, sem rasgar ou colar.

"A topologia, um ramo da matemática talvez um tanto abstrato, mas muito fundamental e profundamente consequente, na verdade determina certo comportamento físico aqui," disse a professora Hannah Price.

"Encontramos um invariante topológico temporal e estabelecemos sua relação com os estados topológicos temporais observados. Transcendendo os conceitos separados de topologia espacial e temporal, propomos e implementamos um sistema com uma lacuna energia-momento e introduzimos o conceito de topologia espaço-temporal, levando a estados topológicos localizados tanto no espaço quanto no tempo, formando assim eventos topológicos espaço-temporais," detalhou a equipe.

Implementação experimental de redes fotônicas topológicas, demonstrando que o fenômeno pode ter aplicações práticas.
[Imagem: Joshua Feis et al. - 10.1038/s41566-025-01653-w]

Eventos espaçotemporais topológicos

O que a equipe descobriu recebeu o nome de "eventos espaçotemporais topológicos".

Devido justamente à natureza unidirecional do tempo, esses eventos apresentam uma robustez única contra perturbações externas: Os pesquisadores descobriram que eles vêm com uma proteção inerente contra parâmetros experimentais aleatoriamente bagunçados, bem como contra qualquer luz difusa que pudesse eventualmente atrapalhar as observações.

Em termos mais simples, os fótons que emergem nesses pontos espaçotemporais parecem imunes a tudo o que normalmente afeta a luz: Se os cálculos indicam que aquela luz vai aparecer naquele local, naquele momento, então ela estará lá, quaisquer que sejam as condições do ambiente.

"Essa proteção é muito desejável, pois pode permitir a modelagem robusta de ondas de luz em aplicações importantes, como geração de imagens, comunicações ou lasers," disse o professor Sebastian Weidemann. De fato, uma das estrelas emergentes da computação quântica são os chamados qubits topológicos, um novo tipo de bit quântico praticamente imune a erros devido justamente à topologia. Essa possibilidade se abre agora também para os computadores quânticos de luz, cujos qubits são fótons.

"Essas descobertas comprovam que a reconsideração do papel do tempo no espaço-tempo, na física em geral, bem como em sua interação com a topologia, tem potencial tanto para a ciência fundamental quanto para suas potenciais aplicações. Crucialmente, elas abrem as portas para um campo muito mais amplo de potenciais descobertas, possibilitadas pelo direcionamento da pesquisa para essa nova-velha dimensão," anunciou a equipe.

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