¿Qué le sucede a una sustancia si su velocidad es mayor que la velocidad de la luz?
No sabemos qué le sucede a una sustancia si se mueve más rápido que la velocidad de la luz por la simple razón de que nunca puede moverse más rápido que la velocidad de la luz. La velocidad de la luz plantea un límite fundamental a la velocidad que puede tomar un objeto, en relación con los objetos cercanos. De hecho, ningún objeto con una masa de reposo finito puede moverse a la velocidad de la luz. Es por eso que todas las partículas que se mueven a la velocidad de la luz (por ejemplo, los fotones) tienen masa en reposo cero. Cuando una partícula con masa se acerca a la velocidad de la luz, su energía aumenta y se vuelve infinita a la velocidad de la luz, razón por la cual nunca puede acelerarse para alcanzar esa velocidad. Esto realmente ha sido verificado por experimentos, y se ha demostrado que nada se mueve más rápido que la velocidad de la luz.
Sin embargo, la discusión anterior solo se aplica a objetos en escalas pequeñas en el universo; por ejemplo, si toma una pelota de béisbol o un planeta o una estrella o una galaxia e intenta acelerar estos objetos a la velocidad de la luz en relación con los objetos cercanos a ellos , Es imposible de hacer. Sin embargo, no hay nada que evite que los objetos que están separados por grandes distancias se muevan entre sí más rápido que la velocidad de la luz. A lo largo de estas grandes distancias, los efectos de la expansión del universo se vuelven importantes, y la discusión anterior ya no se aplica.
- Digamos que una persona ha detenido el tiempo y luego avanza un metro, ¿el espacio detrás de él estaría completamente oscuro ya que incluso la luz se ha detenido?
- Si pudieras ignorar el daño de las armas nucleares, ¿cuánta luz emiten cuando explotan? ¿Y por cuánto tiempo duraría la luz?
- ¿Cuántas matemáticas había estudiado Einstein (qué nivel había alcanzado) en el momento en que escribió sus famosos artículos sobre Brownian Motion, SR y GR?
- ¿Cómo afecta un cambio en un diámetro a la velocidad?
- ¿Qué pasaría si la velocidad de la luz en la Tierra fuera la misma que la velocidad de la luz en el espacio?
Técnicamente hablando, el límite de velocidad de la luz solo se aplica cuando estás en un “marco inercial”, es decir, sentado donde estás, sin ninguna fuerza que actúe sobre ti, y midiendo la velocidad de un objeto que pasa una regla y un reloj que estás sosteniendo en tu mano. Sin embargo, a través de las grandes distancias en el universo, tenemos un conjunto muy diferente de circunstancias. Nadie está en un marco inercial, porque todos se aceleran con respecto a todos los demás, debido al campo gravitacional del universo y al hecho de que el universo se está expandiendo. En efecto, la expansión del universo no se debe realmente a que las galaxias se alejen “a través del espacio”, sino al estiramiento del espacio, que no se rige por los mismos límites que nosotros.
Por lo tanto, aunque es imposible moverse a través del espacio (localmente) más rápido que la velocidad de la luz, y es imposible que alguien dentro del universo envíe una “información” más rápida que la velocidad de la luz, todavía es posible para las distancias entre galaxias lejanas para aumentar más rápido que la velocidad de la luz, debido a la velocidad a la que se extiende el espacio entre ellas. Este “viaje” más rápido que la luz no tiene ningún efecto en el material que compone las galaxias (por ejemplo, su energía no se vuelve infinita en ningún sentido significativo), ya que en realidad no se mueven entre sí en de cualquier manera que puedan medir directamente.
¿Qué puede viajar más rápido que la velocidad de la luz?
Cuando Albert Einstein mostró por primera vez que la luz viaja a la misma velocidad en todas partes del universo, esencialmente marcó un límite de velocidad en nuestro universo: 670,616,629 millas por hora.
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.
Lo más cercano que la humanidad ha llegado a alcanzar la velocidad de la luz está dentro de potentes aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones y el Tevatron. Estas máquinas colosales aceleran las partículas subatómicas a más del 99,99% 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.
Esto se debe a que hacerlo requeriría una cantidad infinita de energía para alcanzar estas velocidades 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 el Reactor de prueba avanzada del Laboratorio Nacional de Idaho en la imagen de la derecha.
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% 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 670,616,629 millas por hora.
Cuando las reglas no aplican
Tenga en cuenta que la Teoría especial de la relatividad de Einstein afirma que nada con la masa puede ir más rápido que la velocidad de la luz, y hasta donde 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 fue formulada por primera vez por los físicos Alan Guth y Andrei Linde en la década de 1980. En una billonésima parte de una billonésima de segundo, el universo se duplicó repetidamente en 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
El entrelazamiento cuántico suena complejo e intimidante, pero a nivel rudimentario el entrelazamiento es la forma en que las partículas subatómicas se comunican entre sí.
Y lo fascinante es que los encuestados han demostrado que este proceso de comunicación puede viajar más rápido que la luz.
“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 “acciones espeluznantes 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 tomó nuestras aspiraciones de viajes por 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 1916.
Mientras que la Relatividad Especial combina masa y energía, la Relatividad General entrelaza el espacio y el tiempo.
“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 – el
Ciencias
consultor y productor ejecutivo de la reciente película “Interestelar” – utilizó 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”, afirma Thorne en su libro “La ciencia de los interestelares”.
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 respaldar la posibilidad de un agujero de gusano.
“Esto desencadenó una gran cantidad de investigaciones por parte de muchos físicos; pero hoy, casi treinta años después, la respuesta aún se desconoce”. Thorne escribe. Por el momento, parece que la respuesta puede ser no, “pero todavía estamos lejos de una respuesta final”, concluye.
Los taquiones son una clase supuesta de partículas que pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz. Los taquiones fueron propuestos por primera vez por el físico Arnold Sommerfeld y nombrados por Gerald Feinberg. La palabra taquión deriva del griego
( tachus ), que significa “rápido”. Los taquiones tienen las extrañas propiedades de que, cuando pierden energía, ganan velocidad. En consecuencia, cuando los taquiones ganan energía, disminuyen su velocidad. La velocidad más lenta posible para los taquiones es la velocidad de la luz.
Los taquiones parecen violar la causalidad (el llamado problema de la causalidad), ya que podrían ser enviados al pasado bajo el supuesto de que el principio de la relatividad especial es una verdadera ley de la naturaleza, generando así una paradoja de tiempo inevitable real (Maiorino y Rodrigues 1999 ) Por lo tanto, parece inevitable que si existen taquiones, el principio de la relatividad especial debe ser falso, y existe un orden de tiempo único para todos los observadores en el universo
independiente de su estado de movimiento.
A los taquiones se les pueden asignar propiedades de la materia normal, como el espín, así como una antipartícula (el antitaquión). Y sorprendentemente, las presentaciones modernas de la teoría del taquión realmente permiten que los taquiones tengan masa real (Recami 1996).
Se ha propuesto que se podrían producir taquiones a partir de colisiones de partículas de alta energía, y se han realizado búsquedas de taquiones en rayos cósmicos. Los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra con alta energía (algunos de ellos con una velocidad de casi el 99.99% de la velocidad de la luz) haciendo varias colisiones con las moléculas en la atmósfera. Las partículas producidas por esta colisión interactúan con el aire, creando aún más partículas en un fenómeno conocido como una lluvia de rayos cósmicos. En 1973, utilizando una gran colección de detectores de partículas, Philip Crough y Roger Clay identificaron una supuesta partícula superluminal en una ducha de aire, aunque este resultado nunca se ha reproducido.
Después de todo esto, me gustaría agregar al fin que ningún “material” puede ser menos masa y, por lo tanto, no puede alcanzar el límite de velocidad de la velocidad cósmica …
