Cuando Albert Einstein predijo por primera vez que la luz viaja a la misma velocidad en todas partes en nuestro Universo, esencialmente marcó un límite de velocidad: 299,792 kilómetros por segundo (186,282 millas por segundo), lo suficientemente rápido como para rodear la Tierra entera ocho veces por segundo. Pero esa no es toda la historia. De hecho, es solo el comienzo.
Antes de Einstein, la masa (los átomos que lo componen a usted, a mí y todo lo que vemos) y la energía se trataban como entidades separadas. Pero en 1905, Einstein cambió para siempre la forma en que los físicos ven el Universo.
La teoría especial de la relatividad de Einstein unió permanentemente la masa y la energía en la ecuación simple pero fundamental E = mc2. Esta pequeña ecuación predice que nada con masa puede moverse tan rápido como la luz o más rápido. Lo más cercano que la humanidad ha llegado a alcanzar la velocidad de la luz está dentro de potentes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones y el Tevatron.
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Estas máquinas colosales aceleran las partículas subatómicas a más del 99.99 por ciento de la velocidad de la luz, pero como explica el premio Nobel de Física David Gross, estas partículas nunca alcanzarán el límite de velocidad cósmica.
Hacerlo requeriría una cantidad infinita de energía y, en el proceso, la masa del objeto se volvería infinita, lo cual es imposible. (La razón por la cual las partículas de luz, llamadas fotones, viajan a la velocidad de la luz es porque no tienen masa).
Desde Einstein, los físicos han descubierto que ciertas entidades pueden alcanzar velocidades superluminales (que significa “más rápido que la luz”) y seguir las reglas cósmicas establecidas por la relatividad especial. Si bien estos no refutan la teoría de Einstein, nos dan una idea del comportamiento peculiar de la luz y el reino cuántico.
El equivalente ligero de un boom sónico
Cuando los objetos viajan más rápido que la velocidad del sonido, generan un boom sónico. Entonces, en teoría, si algo viaja más rápido que la velocidad de la luz, debería producir algo así como un “boom luminal”. De hecho, este auge de la luz ocurre a diario en instalaciones de todo el mundo: puede verlo con sus propios ojos. Se llama radiación Cherenkov, y aparece como un resplandor azul dentro de los reactores nucleares, como en la imagen de arriba.
La radiación de Cherenkov lleva el nombre del científico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov, quien la midió por primera vez en 1934 y recibió el Premio Nobel de Física en 1958 por su descubrimiento.
La radiación de Cherenkov brilla porque el núcleo del Reactor de prueba avanzado está sumergido en agua para mantenerlo fresco. En el agua, la luz viaja al 75 por ciento de la velocidad que lo haría en el vacío del espacio exterior, pero los electrones creados por la reacción dentro del núcleo viajan a través del agua más rápido que la luz.
Las partículas, como estos electrones, que superan la velocidad de la luz en el agua, o en algún otro medio como el vidrio, crean una onda de choque similar a la onda de choque de un boom sónico.
Cuando un cohete, por ejemplo, viaja a través del aire, genera ondas de presión en el frente que se alejan de él a la velocidad del sonido, y cuanto más se acerca el cohete a la barrera del sonido, menos tiempo tienen las ondas para moverse fuera del objeto. camino. Una vez que alcanza la velocidad del sonido, las ondas se agrupan creando un frente de choque que forma un fuerte sonido sónico.
De manera similar, cuando los electrones viajan a través del agua a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz en el agua, generan una onda de luz de choque que a veces brilla como luz azul, pero también puede brillar en ultravioleta. Si bien estas partículas viajan más rápido que la luz en el agua, en realidad no están rompiendo el límite de velocidad cósmica de 299,792 kilómetros por segundo (186,282 millas por segundo).
Cuando las reglas no aplican
Tenga en cuenta que la teoría especial de la relatividad de Einstein afirma que nada con masa puede ir más rápido que la velocidad de la luz, y por lo que los físicos pueden decir, el Universo cumple con esa regla. ¿Pero qué hay de algo sin masa?
Los fotones, por su propia naturaleza, no pueden exceder la velocidad de la luz, pero las partículas de luz no son la única entidad sin masa en el universo. El espacio vacío no contiene sustancia material y, por lo tanto, por definición, no tiene masa. “Dado que nada es solo espacio vacío o vacío, puede expandirse más rápido que la velocidad de la luz ya que ningún objeto material está rompiendo la barrera de la luz”, dijo el astrofísico teórico Michio Kaku en Big Think. “Por lo tanto, el espacio vacío ciertamente puede expandirse más rápido que la luz”.
Esto es exactamente lo que los físicos piensan que sucedió inmediatamente después del Big Bang durante la época llamada inflación, que los físicos Alan Guth y Andrei Linde plantearon por primera vez en la década de 1980. En una billonésima parte de una billonésima de segundo, el Universo duplicó repetidamente su tamaño y, como resultado, el borde exterior del universo se expandió muy rápidamente, mucho más rápido que la velocidad de la luz.
El enredo cuántico hace el corte
“Si tengo dos electrones juntos, pueden vibrar al unísono, de acuerdo con la teoría cuántica”, explica Kaku en Big Think. Ahora, separe esos dos electrones para que estén separados por cientos o incluso miles de años luz, y mantendrán abierto este puente de comunicación instantánea.
“Si agito un electrón, el otro electrón ‘detecta’ esta vibración al instante, más rápido que la velocidad de la luz. Einstein pensó que esto por lo tanto refutaba la teoría cuántica, ya que nada puede ir más rápido que la luz”, escribió Kaku.
De hecho, en 1935, Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, intentaron refutar la teoría cuántica con un experimento mental sobre lo que Einstein llamó “acción fantasmagórica a distancia”.
Irónicamente, su trabajo sentó las bases de lo que hoy se llama la paradoja EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), una paradoja que describe esta comunicación instantánea de enredo cuántico, una parte integral de algunas de las tecnologías más avanzadas del mundo, como la cuántica. criptografía.
Soñando con agujeros de gusano
Como nada con masa puede viajar más rápido que la luz, puedes despedirte del viaje interestelar, al menos, en el sentido clásico de los cohetes y volar.
Aunque Einstein pisoteó nuestras aspiraciones de viajes en el espacio profundo con su teoría de la relatividad especial, nos dio una nueva esperanza para el viaje interestelar con su teoría general de la relatividad en 1915. Mientras que la relatividad especial se unió a la masa y la energía, la relatividad general tejió el espacio y el tiempo juntos.
“La única forma viable de romper la barrera de la luz puede ser a través de la relatividad general y la deformación del espacio-tiempo”, escribe Kaku. Esta deformación es lo que coloquialmente llamamos un agujero de gusano, que teóricamente permitiría que algo recorriera grandes distancias instantáneamente, esencialmente permitiéndonos romper el límite de velocidad cósmica viajando grandes distancias en muy poco tiempo.
En 1988, el físico teórico Kip Thorne, consultor científico y productor ejecutivo de la reciente película Interstellar , usó las ecuaciones de relatividad general de Einstein para predecir la posibilidad de agujeros de gusano que estarían siempre abiertos para viajes espaciales. Pero para ser transitables, estos agujeros de gusano necesitan algo extraño y exótico que los mantenga abiertos.
“Ahora es un hecho sorprendente que la materia exótica pueda existir, gracias a las rarezas en las leyes de la física cuántica”, escribe Thorne en su libro The Science of Interstellar.
Y esta materia exótica incluso se ha hecho en laboratorios aquí en la Tierra, pero en cantidades muy pequeñas. Cuando Thorne propuso su teoría de los agujeros de gusano estables en 1988, pidió a la comunidad de física que lo ayudara a determinar si podría existir suficiente materia exótica en el Universo para apoyar la posibilidad de un agujero de gusano.
“Esto desencadenó una gran cantidad de investigaciones por parte de muchos físicos; pero hoy, casi 30 años después, la respuesta aún se desconoce”. Thorne escribe. Por el momento, no se ve bien, “pero todavía estamos lejos de una respuesta final”, concluye.
