Teoria da relatividade é tornada visível e comprova efeito óptico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/05/2025

Efeito Terrell-Penrose: Objetos próximos à velocidade da luz parecem estar girando ao passar por um observador.
[Imagem: TU Wien]

Objetos rápidos parecem estar girando

A teoria da relatividade de Einstein tem passado por todos os testes nestes quase 120 anos desde que foi formulada. Por exemplo, quando um objeto se move extremamente rápido, próximo à velocidade da luz, o objeto então tem um comprimento diferente de quando está em repouso, e o tempo passa de forma diferente para o objeto do que para quem está parado observando-o. Tudo isso tem sido repetidamente confirmado em experimentos.

Mas ainda faltava demonstrar um efeito muito interessante, previsto por físicos teóricos. Em 1959, Nelson James Terrell [1923-2009] e Roger Penrose [1931-], este último ganhador do Nobel de Física em 2020 por sua teoria sobre buracos negros, concluíram independentemente que objetos movendo-se em velocidades próximas à da luz devem parecer rotacionados para um observador.

E este fenômeno, conhecido como efeito Terrel-Penrose, acaba de ser demonstrado experimentalmente por Dominik Hornof e colegas das universidades de Viena e Técnica de Viena, na Áustria.

Mas por que demorou tanto? Porque não é um experimento simples de se fazer. Como não temos tecnologia para acelerar um objeto até próximo da velocidade da luz, foi necessário criar um aparato capaz de reduzir drasticamente a velocidade da luz.

Na verdade há outros problemas, que dificultam até mesmo demonstrar a contração do comprimento de um objeto hiperveloz. "Se você quisesse fotografar um foguete [próximo à velocidade da luz] enquanto ele passa, teria que levar em conta que a luz de diferentes pontos levou tempos diferentes para chegar à câmera," explicou Schattschneider. "A luz vinda de diferentes partes do objeto e que chega à lente ou ao nosso olho ao mesmo tempo não foi emitida ao mesmo tempo - e isso resulta em efeitos ópticos complexos."

Esquema do experimento para desacelerar a luz.
[Imagem: Dominik Hornof et al. - 10.1038/s42005-025-02003-6]

Relatividade visível

Para superar as dificuldades de captura da imagem do objeto hiperveloz, a equipe usou um sistema de câmeras de precisão e pulsos de laser para retardar a velocidade da luz até impressionantes 2 metros por segundo - sim, é possível até mesmo parar a luz, mas ainda não conseguimos fazer um objeto viajar nem perto da velocidade da luz.

"Nós movimentamos um cubo e uma esfera pelo laboratório e usamos a câmera de alta velocidade para registrar os flashes de laser refletidos de diferentes pontos nesses objetos em momentos distintos," explicam Victoria Helm e Dominik Hornof, os dois estudantes que realizaram o experimento. "Se você fizer a temporização correta, pode criar uma situação que produz os mesmos resultados como se a velocidade da luz não ultrapassasse 2 metros por segundo."

"Imaginemos que o objeto super-rápido seja um cubo. Então, o lado voltado para longe de nós está mais distante do que o lado voltado para nós. Se dois fótons atingem nossos olhos ao mesmo tempo, um do canto frontal do cubo e outro do canto traseiro, o fóton do canto traseiro viajou mais. Portanto, ele deve ter sido emitido em um momento anterior. E naquele momento, o cubo não estava na mesma posição de quando a luz foi emitida do canto frontal. Isso faz parecer que o cubo havia sido girado," detalhou o professor Schattschneider.

É fácil combinar imagens de diferentes partes de uma paisagem em uma única imagem maior. Mas a novidade aqui é que, pela primeira vez, foi incluído o fator tempo: O objeto foi fotografado em vários momentos diferentes. Em seguida, as áreas iluminadas pelo flash do laser no momento em que a luz teria sido emitida daquele ponto se a velocidade da luz fosse de apenas 2 m/s são combinadas em uma única imagem estática. E isso tornou o efeito Terrell-Penrose visível: O cubo parece estar girando, surgindo na foto como se fosse uma esfera.

"Combinamos as imagens estáticas em pequenos videoclipes dos objetos ultrarrápidos. O resultado foi exatamente o que esperávamos," disse Schattschneider. "Um cubo parece torcido, uma esfera permanece esférica, mas seu polo norte está em um lugar diferente."

Aparato experimental.
[Imagem: Dominik Hornof et al. - 10.1038/s42005-025-02003-6]

Ciência e arte

O efeito Terrel-Penrose não é relevante na vida cotidiana: Mesmo o carro de corrida mais rápido percorrerá apenas uma pequena fração da distância no tempo que leva para que os fótons emitidos pela sua frente e pela sua traseira cheguem até nós. Mas, com um foguete viajando próximo à velocidade da luz, esse efeito seria claramente visível.

Curiosamente, esta demonstração do efeito Terrell-Penrose foi o resultado de uma simbiose entre arte e ciência. O ponto de partida foi um projeto de arte e ciência do artista Enar de Dios Rodriguez, que há alguns anos colabora com cientistas das duas universidades de Viena para explorar as possibilidades da fotografia ultrarrápida e da intrigante "lentidão da luz".

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