Você pode parar a luz, mas jamais vai parar um fóton!
Tem sido um grande desafio trabalhar temas de física quântica numa eletiva com estudantes de 15 anos. Nos intervalos, eu respondo vinte perguntas por minuto dos mais variados temas de física fora da física quântica, apesar das minhas tentativas de mostrar do que essa física trata – isso mostra que esse curso era extremamente necessário.
Mas algumas perguntas valem o curso todo! Há uns dias, quando do anúncio de um prêmio de fotografia em que o vencedor fotografou um átomo – na verdade, fotografou um íon, mas isto será tema de outro artigo – um aluno me procurou desesperadamente:
‘Professora, você disse que o fóton não existe com velocidade zero porque ele não tem massa de repouso. Mas toda hora sai notícias de que os cientistas conseguiram parar a luz! Você tá equivocada!’
Calma, respira fundo… pensei…
‘Promete que me traz o artigo em que você leu que os cientistas conseguiram parar a luz?’
Hoje consegui “parar” para pensar neste tema. Numa pesquisa rápida em sites de busca não acadêmicos, encontrei muitas notícias com os termos ‘parar a luz’ ou ‘congelar a luz’. Certamente foram estas as notícias que meu aluno leu.
Cientistas congelam a luz por um minuto
Cientistas alemães realizam feito inédito ao parar a luz por um minuto
É importante lembrar a relevância desse assunto! Estamos em plena era do desenvolvimento do computador quântico que é o graal da Inteligência Artificial. Computadores quânticos serão muito mais rápidos que os atuais. Para que isso ocorra é necessário criar memória quântica baseada em luz! Então “parar” a luz pode se revelar uma técnica de memorização da informação carregada por luz!
Mas é possível parar a luz?
Antes de responder, vamos lembrar um fenômeno luminoso relacionado à velocidade de propagação que também é assunto do Ensino Médio: refração. Ao mudar de meio de propagação, há alteração na velocidade da luz. Essa alteração pode ser acompanhada de desvio na direção de propagação da luz e por isso esse tema é bem tratado na óptica geométrica. Mas do ponto de vista do eletromagnetismo a onda pode interagir com a matéria, no caso um dielétrico transparente, e seu o campo elétrico interage com a nuvem de elétrons dos átomos que constituem a matéria. Essa é a causa da alteração e velocidade. Quanto mais refringente é o meio (maior índice de refração) menor é a velocidade da luz nesse meio. A refração em materiais comuns permite reduzir a velocidade da luz em 2 ou 3 vezes.
Porém, reduzir bastante a velocidade da luz, algo como 1200 vezes menor, o que permitiria utiliza-la em processadores à base de luz, não é tão simples assim.
Para isso é necessário entrar no mérito da fotônica e estudar guia de ondas.
Com ele (guia de ondas), torna-se possível o confinamento da luz numa região limitada do espaço, fazendo-a propagar ao longo do dispositivo segundo caminhos pré-determinados e permitindo a possibilidade da transmissão de sinais luminosos de modo similar ao que se faz em eletrônica com fios metálicos.
Ainda assim, se a intenção é reduzir drasticamente a velocidade da luz, é necessário que esses guias de onda tenham dimensões muito pequenas, e é aí que está o segredo!
O que as reportagens têm retratado ultimamente é que os guias passaram a ter dimensões da ordem de grandeza do comprimento de onda da luz (algo em torno de 10-6m) e dessa forma, as ondas eletromagnéticas podem ser controladas para que produzam interferências construtivas e destrutivas dentro dessas cavidades tridimensionais que constituem o guia.
Redução na velocidade da luz é obtida dentro de um chip de silício
Um análogo disso é produzir ondas estacionárias numa corda de violão! A onda fica refletindo nas extremidades fixas e não pode se propagar além desses pontos. Neste caso há perda de energia para o meio, tanto que podemos ouvir o som produzido pela corda vibrante.
Onda estacionária numa corda vibrante.
No caso da luz, se for possível controlar as perdas na estrutura do material, a onda fica lá, ricocheteando dentro da cavidade por um tempo que é considerado extremamente longo comparado com as dimensões temporais com que os fenômenos optoeletrônicos se processam!
Então a luz não parou! Está aprisionada dentro de uma cavidade!
Não seria melhor escrever sobre o tema com este termo: aprisionar?
O padrão perfeito para aprisionar a luz
Feita esta distinção entre parar e aprisionar, fui novamente ler as notícias em que o título se refere a parar a luz: não há preocupação alguma nessas reportagens em esclarecer que o termo “parar” a luz é uma figura de linguagem.
Meu aluno, este e tantos outros, tem razão em ficar irritado com o que estuda na escola e com o que lê nas notícias de divulgação científica. Aliás, total razão: estou equivocada! Não é só a escola que está bem atrasada em esclarecer os fenômenos mais recentes em ciência e tecnologia. A própria divulgação científica ao invés ajudar, atrapalha.
Obrigado e parabéns pelos seus comentários. Resolveu minha questão sobre o assunto.
“Então a luz não parou! Está aprisionada dentro de uma cavidade!”
E se aprisionássemos este fóton de luz a uma cavidade infinitamente pequena, ela não poderia estar infinitamente parada ? A ponto de que um observador a olho nu, a veria de fato parada ?
Para ver a olho nu este fóton precisaria interagir com o seu olho e, para isto, deve sair da cavidade.