A velocidade da luz no vacuo, $c = 299.792.458$ metros por segundo, e o limite de velocidade mais fundamental da fisica. A relatividade especial de Einstein estabeleceu que nenhum objeto com massa pode ser acelerado ate a velocidade da luz. Mas a relatividade diz algo mais sutil do que a maioria imagina: ela nao proibe categoricamente particulas que sempre foram superluminais. A busca por tais particulas abrange mais de um seculo.
1. A velocidade da luz como barreira, nao como muro
A relatividade especial divide o universo em tres setores cinematicos. A materia ordinaria (bradions) sempre viaja abaixo de $c$. Particulas sem massa como fotons (luxons) sempre viajam exatamente a $c$. O terceiro setor, ocupado por particulas superluminais hipoteticas (taquions), descreve entidades que sempre viajam acima de $c$.
A percepcao crucial e que a velocidade da luz funciona como uma barreira, nao como um muro. Bradions nao podem ser empurrados atraves de $c$ por baixo, e taquions nao podem ser desacelerados atraves de $c$ por cima. Cada classe esta permanentemente confinada ao seu proprio lado da divisao. A matematica da relatividade especial e totalmente consistente dentro de cada setor. Nada nas equacoes da transformacao de Lorentz produz uma contradicao logica quando aplicada a $v > c$, desde que a particula nunca tenha estado a velocidade da luz ou abaixo dela.
2. Propostas historicas para particulas superluminais
A ideia de que particulas poderiam exceder a velocidade da luz e anterior a Einstein. Em 1904, o fisico alemao Arnold Sommerfeld analisou o padrao de radiacao eletromagnetica de uma particula carregada movendo-se mais rapido que a luz, descobrindo que produziria um cone de radiacao analogo ao estrondo sonico de uma aeronave supersonica. Essa radiacao "tipo Cherenkov" para cargas superluminais era um exercicio puramente teorico na epoca.
A base teorica moderna foi estabelecida em 1962 por Olexa-Myron Bilaniuk, V. K. Deshpande e E. C. George Sudarshan na Universidade de Syracuse. Seu artigo "Meta Relativity" demonstrou que particulas superluminais sao totalmente compativeis com os postulados da relatividade especial. Eles mostraram que tais particulas teriam massa de repouso imaginaria, energia e momento reais, e a propriedade contraintuitiva de acelerar a medida que perdem energia.
Em 1967, Gerald Feinberg na Universidade de Columbia publicou "Possibility of Faster-Than-Light Particles" na Physical Review, cunhando o termo taquion. Feinberg foi alem de seus predecessores ao tentar construir uma teoria quantica de campos para os taquions, analisando suas propriedades de emissao e absorcao, e propondo assinaturas experimentais que poderiam ser buscadas. Seu artigo permanece como a referencia fundamental do campo. Para um tratamento completo da fisica dos taquions, consulte nosso guia completo.
3. Taquions: o principal candidato a particula superluminal
Os taquions permanecem como o unico candidato teoricamente bem definido para uma particula fundamental superluminal. Suas propriedades sao totalmente determinadas pela relatividade especial e pela suposicao de massa imaginaria ($m² < 0$):
- Faixa de velocidade: De pouco acima de $c$ (em alta energia) ate velocidade infinita (em energia zero). Um taquion nunca pode desacelerar ate $c$ ou abaixo.
- Inversao energia-velocidade: Ao contrario das particulas ordinarias, os taquions aceleram ao irradiar energia. O estado de menor energia corresponde a velocidade infinita.
- Observaveis reais: Apesar da massa imaginaria, a energia, o momento e a velocidade de um taquion sao todas quantidades reais e mensuraveis.
- Radiacao Cherenkov: Um taquion carregado movendo-se no vacuo emitiria radiacao Cherenkov eletromagnetica, analoga ao brilho azul emitido por particulas que excedem a velocidade da luz em um meio como a agua.
As buscas experimentais por taquions concentraram-se em procurar essa radiacao Cherenkov no vacuo e em anomalias na cinematica de decaimento de particulas. Nenhuma deteccao positiva foi alcancada. Para detalhes sobre os esforcos experimentais, consulte nossa pagina sobre metodos de deteccao de taquions.
4. Fenomenos aparentemente superluminais que nao sao realmente superluminais
Varios fenomenos fisicos bem conhecidos parecem envolver propagacao superluminal, mas, em uma analise cuidadosa, nao transmitem informacao a velocidade superluminal. Compreender esses casos e essencial para distinguir a velocidade superluminal genuina da ilusao.
Velocidade de fase e velocidade de grupo
A velocidade de fase de uma onda monocromatica (a velocidade com que uma crista se move) pode exceder $c$ em muitos meios. Na propagacao de raios X atraves do vidro, a velocidade de fase e superluminal. Da mesma forma, a velocidade de grupo de um pacote de ondas pode exceder $c$ em regioes de dispersao anomala, como demonstrado por Lijun Wang em Princeton em 2000, que enviou um pulso de luz atraves de gas de cesio a uma velocidade de grupo de $-c/310$ (significando que o pico saiu antes de entrar). Nem a velocidade de fase nem a velocidade de grupo transportam informacao. A velocidade de sinal, definida pela frente de onda, permanece igual ou inferior a $c$.
Tunelamento quantico
Quando uma particula atravessa uma barreira de potencial por tunelamento, o tempo de travessia pode ser extremamente curto, levando a uma velocidade de cruzamento aparentemente superluminal. Gunter Nimtz, da Universidade de Colonia, afirmou nos anos 1990 ter transmitido a Sinfonia n.o 40 de Mozart a 4,7 vezes $c$ atraves de um guia de ondas de microondas abaixo do corte. No entanto, o consenso e que o tunelamento envolve uma remodelacao do pacote de ondas, em vez de uma propagacao genuinamente superluminal do sinal. A borda dianteira do pacote de ondas, que carrega a informacao, nunca e verdadeiramente superluminal.
Expansao do universo
Galaxias distantes afastam-se de nos a velocidades que excedem $c$ devido a expansao do proprio espaco. Galaxias alem da esfera de Hubble tem velocidades de recessao maiores que $c$, e podemos observar algumas delas porque sua luz foi emitida quando estavam mais proximas. Isso nao viola a relatividade especial porque o limite de velocidade se aplica a objetos movendo-se atraves do espaco, nao a expansao da metrica espacial em si. Nenhuma informacao e transmitida mais rapido que a luz.
Emaranhamento quantico
Medir uma particula emaranhada determina instantaneamente o estado de sua parceira, independentemente da distancia. Einstein chamou isso de "acao fantasmagorica a distancia". No entanto, o teorema de nao comunicacao prova rigorosamente que o emaranhamento nao pode ser usado para transmitir informacao. Os resultados das medicoes parecem aleatorios para cada observador individualmente; as correlacoes so se tornam aparentes quando os observadores comparam suas anotacoes atraves de um canal classico (subluminal).
5. O efeito Scharnhorst
Uma das predicoes teoricas mais intrigantes de propagacao genuinamente superluminal vem de Klaus Scharnhorst e Gabriel Barton. Em 1990, eles calcularam que fotons viajando entre duas placas de Casimir (superficies condutoras proximas que suprimem flutuacoes quanticas do vacuo) deveriam viajar ligeiramente mais rapido que $c$. O vacuo suprimido reduz o "arrasto" efetivo sobre pares virtuais eletron-positron que aparecem brevemente durante a propagacao do foton.
O aumento de velocidade previsto e extraordinariamente pequeno: aproximadamente uma parte em $10^36$ para placas separadas por um micrometro. Isso esta muito alem da capacidade de medicao atual. No entanto, representa um caso em que a eletrodinamica quantica padrao preve $v > c$ para fotons em um vacuo modificado. Para um tratamento detalhado, consulte nossa pagina sobre o efeito Casimir e a fisica taquionica.
6. O incidente OPERA
Em setembro de 2011, o experimento OPERA no Laboratorio Nacional do Gran Sasso, na Italia, relatou que neutrinos muonicos enviados do CERN (a 730 km de distancia) chegaram 60,7 nanossegundos antes do esperado para uma viagem a velocidade da luz. Se correto, teria constituido a primeira observacao direta de particulas superluminais.
O anuncio gerou enorme atencao cientifica e mediatica. Milhares de artigos teoricos tentaram explicar ou acomodar o resultado. No entanto, a colaboracao OPERA identificou dois problemas de equipamento em fevereiro de 2012: uma conexao defeituosa de fibra otica no sistema de sincronizacao GPS (que fazia os neutrinos parecerem chegar mais cedo) e um oscilador de relogio funcionando ligeiramente rapido demais. Uma vez corrigido, o tempo de viagem dos neutrinos foi consistente com a velocidade da luz.
Licoes do OPERA
O episodio OPERA demonstrou tanto o rigor quanto a natureza autocorretiva da fisica. A colaboracao foi transparente sobre seu resultado anomalo, convidou ao escrutinio e finalmente identificou o erro sistematico. Quatro experimentos independentes (ICARUS, LVD, Borexino e o proprio OPERA apos os reparos) confirmaram subsequentemente que os neutrinos viajam a uma velocidade consistente com $c$ dentro da precisao experimental.
7. Por que particulas superluminais quebrariam a causalidade
A objecao mais profunda as particulas superluminais nao e a energia ou o momento, mas a causalidade. Na relatividade especial, se um sinal pode viajar mais rapido que a luz em um referencial, entao existem outros referenciais (relacionados por um boost de Lorentz padrao) nos quais esse sinal viaja para tras no tempo. Se dois desses sinais podem ser trocados entre dois observadores em movimento relativo, um laco causal fechado e criado: uma mensagem pode ser enviada ao proprio passado do remetente.
Essa construcao, descrita pela primeira vez por Albert Einstein e posteriormente formalizada como o antitelefone taquionico, permitiria paradoxos genuinos de viagem no tempo. Em principio, poder-se-ia enviar uma mensagem a si mesmo antes de ter decidido envia-la, criando uma contradicao logica.
As resolucoes propostas incluem o principio de reinterpretacao (originalmente de Bilaniuk, Sudarshan e Feinberg), que reinterpreta um taquion de energia negativa viajando para tras no tempo como um taquion de energia positiva viajando para frente no tempo na direcao oposta. Se isso resolve completamente o paradoxo permanece em debate. Alguns fisicos argumentam que uma teoria quantica de campos consistente para taquions exigiria abandonar completamente o principio de causalidade invariante de Lorentz.
8. Estado atual da busca
Em meados da decada de 2020, nenhuma particula superluminal foi detectada experimentalmente. As restricoes sao contundentes:
- Medicoes de velocidade de neutrinos: Experimentos pos-OPERA confirmaram que os neutrinos viajam a $c$ com precisao de algumas partes por bilhao. A observacao multimensageira de 2017 da fusao de estrelas de neutrons GW170817 restringiu a velocidade das ondas gravitacionais em relacao a luz a uma parte em $10^15$.
- Buscas de Cherenkov no vacuo: Observacoes de raios cosmicos de alta energia impoem limites rigorosos a existencia de taquions carregados. Se existissem com um acoplamento apreciavel ao campo eletromagnetico, sua radiacao Cherenkov teria sido detectada.
- Experimentos em colisores: Nenhuma assinatura anomala de energia faltante consistente com a producao de taquions foi observada no LHC ou em colisores anteriores.
- Campos taquionicos na teoria: Embora campos taquionicos ($m² < 0$) sejam essenciais no Modelo Padrao (o campo de Higgs antes da quebra de simetria) e na teoria de cordas (taquions de corda aberta em branas instaveis), eles descrevem instabilidades do vacuo, nao particulas superluminais detectaveis.
O panorama teorico mudou. A maioria dos fisicos agora veem campos taquionicos nao como fontes de particulas superluminais literais, mas como sinais de instabilidade do vacuo que se resolvem por condensacao. No entanto, a questao de se o terceiro setor cinematico da relatividade especial se realiza fisicamente permanece aberta. Particulas superluminais nao sao logicamente proibidas, e a ausencia de evidencia nao e evidencia de ausencia. A busca continua por meio de experimentos de precisao com neutrinos, observatorios de raios cosmicos e trabalho teorico sobre violacao da invariancia de Lorentz.