A viagem futura no tempo parece um problema de ficção até ser escrita na linguagem do relógio.
Cada astronauta que passou algum tempo na órbita baixa da Terra moveu-se no tempo a uma taxa ligeiramente diferente da dos humanos na Terra. O efeito é pequeno, demasiado pequeno para ser sentido, e não envolve extinção num outro século. Mas é real. Quando os astronautas regressam da órbita, os seus próprios corpos e relógios registam um pouco menos de tempo do que os relógios restantes na Terra.
Para estadias mais longas na Estação Espacial Internacional, a diferença é medida em milissegundos. Isso são apenas alguns milésimos de segundo. Não é nem uma metáfora. Esta é a mesma física com a qual os relógios atómicos, as experiências de voo e os sistemas de navegação por satélite tiveram de lidar durante décadas.
A razão vem da teoria da relatividade de Einstein. O tempo não é um pano de fundo universal que funciona na mesma velocidade para todos em todos os lugares. É medido ao longo de um caminho através do espaço-tempo. Mude o caminho, mude a gravidade ou mude a velocidade e a quantidade de tempo registrada por um relógio também pode mudar.
Em órbita, os dois efeitos relativísticos atuam um contra o outro.
A primeira é a relatividade especial: um relógio em movimento se move mais lentamente do que um relógio em um referencial quando medido. Quanto mais rápida for a velocidade, maior será o efeito. A Estação Espacial Internacional viaja a cerca de oito quilômetros por segundo, orbitando a Terra a cada 90 minutos, de acordo com a NASA. Nessa velocidade, os relógios da estação ficam atrás dos relógios terrestres apenas cerca de 28 microssegundos por dia em relação à velocidade.
A segunda é a relatividade geral: os relógios funcionam um pouco mais rápido no campo gravitacional da Terra. A estação fica a cerca de 400 km acima do solo, onde a gravidade da Terra é ligeiramente mais fraca. Um relógio da ISS ganha alguns microssegundos por dia em comparação com o mesmo relógio na superfície nesta altitude.
Mas o efeito da velocidade é grande. Some os dois e um astronauta na ISS envelhece 20 a 25 microssegundos a menos por dia do que alguém na Terra. Depois de seis meses, cai para cerca de quatro ou cinco milissegundos. Um ano depois, ainda são apenas nove milissegundos.
A menor forma de viagem futura
É por isso que a viagem no tempo para o futuro não é proibida pela física. Isso ocorre sempre que um caminho através do espaço-tempo acumula um tempo menos preciso que o outro e os dois caminhos se encontram novamente.
O famoso Paradoxo dos Gêmeos é um teste de clareza de pensamento. Um gêmeo vive na terra. O outro viaja em alta velocidade e retorna. Como os gêmeos viajando pelo espaço-tempo seguem caminhos diferentes, menos tempo pode passar para eles. Eles se reencontram no futuro dos gêmeos que ficam em casa.
O voo espacial humano é uma versão mais leve e prática do mesmo conceito. Os astronautas não atingem nada perto da velocidade da luz, então o efeito é pequeno. Mas a lógica é a mesma: um caminho orbital em movimento rápido acumula um pouco menos de tempo do que uma vida inteira passada na superfície.
A Estação Espacial Internacional é um bom exemplo do dia a dia porque os números são familiares. A NASA diz que a tripulação da estação, composta por sete pessoas, vive e orbita a Terra em cerca de 90 minutos, enquanto viaja a oito quilômetros por segundo. Em 24 horas, a estação faz 16 órbitas e passa por 16 amanheceres e entardeceres.
Essa velocidade é enorme para os padrões humanos e minúscula para os padrões relativos. A luz viaja a 299.792.458 metros por segundo. A estação se move a cerca de 7.700 metros por segundo. Isto é suficiente para que o efeito seja mensurável com bons relógios, mas não o suficiente para fazer com que as pessoas envelheçam de forma visivelmente diferente.
O mesmo se aplica aos corpos dos astronautas. O envelhecimento biológico no espaço é afetado pela exposição à radiação, microgravidade, estresse, distúrbios do sono, alterações de fluidos, alterações no sistema imunológico, perda óssea e perda muscular. Estes efeitos podem ser clinicamente graves. O envelhecimento relativístico é física pura, mas é clinicamente irrelevante em velocidades orbitais.
Em outras palavras, um astronauta pode retornar relativisticamente alguns milissegundos mais jovem quando leva semanas ou meses para se recuperar das demandas físicas do voo espacial. A relatividade é real; Esta não é uma grande história de saúde.
O efeito Ken é acreditado há décadas
A ideia de que a velocidade e a gravidade alteram a passagem do tempo não se baseia apenas na aritmética astronáutica.
Em 1971, Joseph Hafel e Richard Keating voaram com um relógio atômico de césio ao redor do mundo em um avião comercial, uma vez no sentido leste e outra no sentido oeste. Quando os relógios do Observatório Naval dos EUA foram comparados com um relógio de referência, as diferenças corresponderam às previsões combinadas da relatividade especial e geral. Os relógios para leste, movendo-se com a rotação da Terra, perderam tempo em geral. Os relógios voltados para o oeste ganhavam tempo porque seu movimento em relação ao centro da Terra era diferente e os efeitos gravitacionais da altitude também eram importantes.
Os relógios ópticos modernos levaram isso muito mais longe. Em 2010, uma equipe liderada por CW Chou, DB Hume, T. Rosenband e DJ Wineland relatou ciência Esse relógio atômico óptico só pode detectar a dilatação do tempo gravitacional a partir de uma diferença de altura de 33 cm. Eles também mediram o efeito de desaceleração do movimento em velocidades comparáveis ao movimento diário.
A navegação por satélite falharia sem a relatividade. Os satélites GPS carregam relógios atômicos, e esses relógios são afetados tanto pela velocidade orbital quanto pelas altitudes mais elevadas. O seu tempo deve ser corrigido para que os receptores na Terra possam calcular a posição com precisão. Alguns microssegundos por dia são curtos para uma pessoa, mas um sinal de navegação viajando à velocidade da luz transforma pequenos erros de relógio em grandes erros de posição.
Esta é a verdadeira lição. A relatividade não serve apenas para percorrer buracos negros ou aceleradores de partículas. Ele incorporou previsão de órbita, cronometragem de satélite, navegação e medições de precisão. Os astronautas são apenas versões humanas de relógios enviados por um caminho diferente.
Por que a órbita não torna os astronautas mais jovens?
Há uma nuance aqui. Estar longe do centro da terra faz o tempo passar mais rápido. Mover-se rápido faz com que o tempo fique mais lento. Então, por que os astronautas em órbita baixa da Terra retornam mais jovens do que os mais velhos?
A resposta é equilíbrio. Na altitude da ISS, a velocidade ganha a palavra. O efeito de gravidade fraca proporciona um pequeno ganho de tempo, mas a velocidade orbital da estação cria uma perda de tempo maior. O resultado líquido é que o tempo decorrido do astronauta é ligeiramente menor que o tempo decorrido medido por um relógio na Terra.
Em órbitas muito altas, o equilíbrio pode mudar. Por exemplo, os satélites GPS são suficientemente altos para que a aceleração gravitacional seja maior do que a desaceleração relativística especial do seu movimento. Seus relógios funcionarão mais rápido do que os relógios terrestres se forem errados. As órbitas baixas da Terra ficam do outro lado desse equilíbrio.
Essa diferença mantém a afirmação honesta. Os astronautas a bordo da ISS, do ônibus espacial, dos voos da Soyuz e de outras missões em órbita baixa da Terra viveram um curto salto em direção ao futuro da Terra. Quanto mais tempo permanecem, maior é o deslocamento, mas a escala permanece minúscula: microssegundos por dia, milissegundos ao longo de meses, até mesmo frações de segundo durante o tempo de vida cumulativo mais longo de uma órbita.
Ainda assim, a mordida filosófica é maior que os números. A física não diz que a viagem no tempo para o futuro seja impossível. Diz que todos fazemos isso constantemente, e que diferentes rotas através da gravidade e do movimento nem sempre resultam na mesma quantidade.
Um astronauta flutuando acima da Terra não está fora do tempo. Eles estão seguindo um caminho ligeiramente diferente. Quando pousam, a Terra é um pouco mais velha que eles.
