Físico brasileiro demonstra matematicamente sucesso da Manobra Picard

Você há de se lembrar: Jean-Luc Picard ficou famoso por ter criado uma manobra em que um pequeno salto de dobra fez a USS Stargazer aparecer brevemente em dois lugares ao mesmo tempo. O caso é reportado e demonstrado no episódio “The Battle”, da primeira temporada de A Nova Geração. E agora o físico brasileiro Nickolas de Aguiar Alves, estudante de doutorado pela UFABC (Universidade Federal do ABC) e atualmente na Escola Normal Superior, na Itália, demonstrou que a tal Manobra Picard funciona mesmo — e até melhor do que o esperado, mas não exatamente como vista no episodio.

O truque só é possível porque, no universo fictício da série, há a tecnologia de dobra espacial, que permite que a nave viaje mais depressa que a luz. Picard ali ordenou apenas um pequeno pulso de dobra, fazendo com que, por um breve período, a nave ultrapassasse os próprios raios de luz que havia emitido antes de entrar em dobra. Da nova posição, mais próxima, a luz chegaria mais depressa, fazendo com que a nave aparecesse em dois lugares ao mesmo tempo, confundindo os inimigos.

O episódio é de 1987, mas Alves só o viu pela primeira vez em 2021, o que serviu como inspiração inicial. “Eu queria eventualmente fazer um trabalho sobre a manobra, mas não tinha ideia do que eu poderia falar sobre que os físicos já não soubessem muito bem”, diz.

A sacada só veio mesmo em julho deste ano, quando ele voltou sua atenção para o fato de que, embora viagem acima da velocidade da luz no vácuo seja província exclusiva da ficção científica, não é esse o caso quando se fala de objetos viajando em um meio material. Em algumas circunstâncias, eles podem viajar mais depressa que a luz (naquele meio específico). Alves tentava entender certos processos desse tipo envolvendo partículas e desenhou alguns diagramas que o remeteram ao que vira no episódio. “Acho que físicos trabalhando com outras coisas parecidas já sabiam desse tipo de coisa. Porém, ao longo dos meus estudos, ninguém tinha me falado! Por isso decidi escrever um artigo pedagógico explicando esse efeito.”

O estudo foi aceito para publicação no American Journal of Physics e mostra que a Manobra Picard poderia mesmo funcionar, mas seria um pouco diferente da vista no episódio. Não haveria apenas duas imagens da nave (uma da posição inicial e outra da final), mas também uma terceira imagem, em razão da aceleração envolvida. “Em certo sentido, o episódio mostra uma terceira imagem, porque mostra um borrão. Porém, tem alguns detalhes incorretos: a imagem nova aparece antes do borrão, e o borrão deveria aparecer de trás para a frente”, explica Alves. “Vale mencionar também que esse efeito de ver a nave ‘andando para trás’ mostra como é estranho pensar sobre coisas andando mais rápido do que a luz.”

O Trek Brasilis entrou em contato com Alves por email e ele gentilmente nos concedeu uma entrevista falando um pouco mais sobre seu trabalho e de como em vários momentos de sua carreira como cientista ele incluiu easter eggs de Star Trek. Confira a seguir.

Eu já era fã da série, apesar de ser um fã mais “casual”. Eu comecei a assistir ST:TNG por volta de 2021 e ainda preciso terminar a sétima temporada! Diferente de outras séries que eu maratonei e terminei em poucos meses, Star Trek foi algo que me marcou mais e eu vim apreciando mais aos poucos, sem pressa. Lá em 2021 que eu assisti “The Battle” (o episódio que mostra a manobra Picard) e foi, em certo sentido, uma inspiração inicial. Eu já conhecia relatividade naquela época (estava no começo do mestrado) e achei uma ilustração muito legal de como velocidades muito rápidas podem levar a efeitos curiosos. Eu queria eventualmente fazer um trabalho sobre a manobra, mas acabei deixando essa vontade engavetada. Não tinha ainda nenhuma ideia do que eu poderia falar sobre que os físicos já não soubessem muito bem.

Aí avançamos pra algumas semanas atrás, em meados de julho desse ano. Eu já tô pela metade do doutorado e eu tava pensando sobre coisas um pouco diferentes. No vácuo, a luz anda na velocidade máxima permitida pelo universo (que é pouco mais de um bilhão de quilômetros por hora, então na prática a gente quase não percebe). Quando a luz passa por um material (como água, vidro, ar, etc) ela diminui de velocidade, então fica abaixo desse limite máximo. Nessa situação, é possível alguma coisa se mover mais rápido que a luz, mas abaixo do limite de velocidade máximo do universo. Isso acontece rotineiramente em reatores nucleares e é associado com um brilho azul bem famoso, chamado radiação de Cherenkov. Quando eu era estudante de graduação em Física na USP, eu ouvia com frequência que dava pra visitar o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (que fica na cidade universitária) pra ver esse brilho ao vivo, mas acabei nunca tentando.

De volta à história, eu tava lendo um trabalho que considera uma situação parecida com essa. Ele lidava com uma partícula que começa parada num material, mas acelera pra uma velocidade mais rápida que a luz. Só que eu não tava entendendo os resultados muito bem. As contas que eu conhecia de radiação Cherenkov consideravam que você enxerga uma partícula em dois lugares ao mesmo tempo, por esse efeito de estar mais rápido que a luz. Eventualmente eu comecei a desenhar alguns diagramas pra entender melhor o que eu estava perdendo e reparei que as contas que eu conhecia assumiam uma partícula que se move sempre com a mesma velocidade. Se você tem aceleração, pode ver mais de duas imagens.

Enquanto eu fazia os desenhos (que eram bem parecidos com os que aparecem no paper), eu percebi que conhecia aquela história de outro lugar, e lembrei do “The Battle”! Na manobra Picard, você também tem um objeto (a Stargazer) que passa por velocidades acima da velocidade da luz, mas que tem fases de aceleração. Então a intuição usual que eu tinha não se aplicava de forma tão simples e ficava um pouco mais complicado.

Eu acho que os físicos que trabalham com radiação Cherenkov, ou estudando aviões supersônicos, e outras coisas parecidas já sabiam desse tipo de coisa. Porém, ao longo dos meus estudos, ninguém tinha me falado disso! Por isso eu decidi escrever um paper pedagógico explicando esse efeito e discutindo como ele poderia ser usado em sala de aula. Essa é, em boa parte, a proposta do American Journal of Physics, que é a revista onde o trabalho foi aceito. Então a história completa foi um pouco de inspiração na primeira vez que eu vi o episódio, um pouco de inspiração quando eu tava fazendo um cálculo muito parecido em um problema do mundo real, com uma vontade de explicar de uma maneira mais lúdica no final.

Como um pequeno bônus, alguns outros trabalhos meus deixam algumas referências a Star Trek, embora não costumem ser tão pronunciadas quanto foi desta vez. Uma das epígrafes da minha dissertação de mestrado é uma citação do Picard. Um outro trabalho, que eu escrevi com o Bruno Arderucio Costa (professor na Troy University, Alabama, EUA), chama “The Measure of a Mass”, em referência ao episódio “The Measure of a Man” do ST:TNG. Esse é um trabalho em que nós estávamos discutindo sobre o que é a noção de massa em relatividade e, no contexto específico desse trabalho, pareceu legal comparar com a discussão de Star Trek sobre o que faz de alguém um ser humano.

O conceito principal é exatamente esse, que inclusive a série retrata muito bem. Um raio de luz saindo da nave demora um pouco pra chegar nos olhos de quem tá vendo. Se a nave se move mais rápido que a luz, vai ultrapassar esses raios de luz que ainda estão viajando. Então os raios de luz que saem depois da manobra vão chegar nos olhos de quem tá vendo ao mesmo tempo que alguns raios de luz que saíram antes da manobra e foram ultrapassados pela nave.

A sutileza que falta eu só percebi quando olhei pro problema com bem mais calma: ainda tem raios de luz sendo emitidos (ou melhor, refletidos) da nave enquanto ela faz a manobra. Essa é a terceira imagem. Esses raios de luz também estão sendo ultrapassados pela nave, mas são “menos ultrapassados” do que os raios de luz de antes da manobra. No episódio, essa terceira imagem é ilustrada com um “borrão”: você vê primeiro a nave parada, depois tem um borrão até a nova localização, e você vê duas cópias por algum tempo. O que as contas mostram é que esse borrão aconteceria de uma forma um pouco diferente.

Imagina que você está observando a manobra (ou seja, está na nave ferengi). Primeiro você vê a Stargazer parada. Tem raios de luz saindo de lá agora, mas a Stargazer faz a manobra Picard. A nave ultrapassa esses raios de luz, e vai emitindo outros raios de luz no caminho. Porém, todos esses raios de luz no caminho são ultrapassados pela nave também, porque ela se move mais rápido do que eles! Então a primeira nova imagem que você vai ver é a do primeiro raio que luz que não foi ultrapassado pela nave. Essa é a imagem da nave que acabou de frear. Então uma segunda imagem aparece do nada. Os próximos raios de luz que chegam em você são o que foi emitido pouco depois de frear, e um que foi emitido pouco antes de frear (porque ele foi ultrapassado pela nave, mas não tanto). Então você vê essa nova imagem se dividindo em duas cópias: uma que continua parada no novo lugar, e uma terceira imagem que tá fazendo o caminho entre a posição original e a nova posição. Mas esse caminho é feito ao contrário! Como os raios de luz do começo do caminho foram muito ultrapassados, eles demoram mais pra chegar em você do que os raios de luz do final do caminho, que foram ultrapassados só um pouquinho. Então você vê a nave andando de trás pra frente, até essa terceira imagem se encontrar com a imagem original, de antes da manobra. Quando as duas se encontram, elas desaparecem ao mesmo tempo.

Em certo sentido, o episódio mostra uma terceira imagem, porque mostra um borrão. Porém, tem alguns detalhes incorretos: a imagem nova aparece antes do borrão, o borrão deveria aparecer “de trás pra frente” e o borrão desaparece junto com a primeira imagem. Eu me empolguei com esses detalhes porque Star Trek é uma franquia apaixonante e esse é um caso muito divertido em que os detalhes parecem melhorar a história um pouco mais! Então o trabalho é bem mais uma homenagem à série do que uma crítica.

Vale mencionar também que esse efeito de ver a nave “andando pra trás” mostra como é estranho pensar sobre coisas andando mais rápido do que a luz.

Dobra espacial é um assunto que eu acho muito fascinante, apesar de eu nunca ter trabalho diretamente nele. A ideia básica é que você não consegue violar o limite máximo de velocidade do universo, que eu mencionei ali em cima. Mas uma das lições principais que nós aprendemos sobre gravidade ao longo do último século é que, no fundo, gravidade é uma forma de deformar o que chamamos de espaço e tempo. Isso aparece muito bem no filme Interestelar, por exemplo, em que o tempo passa de forma diferente perto e longe de um buraco negro.

A ideia do Miguel Alcubierre então era: e se eu tentar deformar o espaço e o tempo pra que, ao invés de tentar andar mais rápido que a luz, eu fizesse a nave ser carregada? Eu acho parecido com surf: a própria água faz a prancha andar, sem precisar se mover tanto. A pergunta então vira: a gente consegue deformar o espaço e o tempo do jeito que precisa pra fazer um motor de dobra?

Por enquanto, a resposta parece ser não. A gente precisaria de tipos de materiais que, até onde nós sabemos, não existem. Por exemplo, coisas que tenham massa negativa (que “caem pra cima”). Pessoalmente, eu não tenho um grande palpite sobre se um dia será possível. Hoje ainda parece muito difícil, mas às vezes nós encontramos brechas excepcionais no nosso conhecimento, que são exatamente a criatividade que faltava pra esse tipo de coisa! E ao longo do caminho tem muitas coisas que podemos aprender e que seriam muito interessantes, mesmo que o motor de dobra não aconteça. Por exemplo, eu escolhi olhar pra manobra Picard enquanto estava pensando sobre partículas se movendo em materiais. Os cálculos que o pessoal faz quando estuda motores de dobra hoje em dia são muito relevantes pra entender como funciona a gravidade, especialmente em situações extremas em que a mecânica quântica é importante.

Inúmeras cenas de TNG servem pra me motivar como cientista e como pessoa. Aqui em particular, eu acho que uma das últimas falas do Picard na primeira temporada (talvez a última fala da temporada) se encaixa bem: “There is still much to do. Still so much to learn.“