es una respuesta en el sitio web bbc earth, así que el crédito va para ellos, no para mí
Era septiembre de 2011 y el físico Antonio Ereditato acababa de sorprender al mundo.
El anuncio que hizo prometió anular nuestra comprensión del Universo. Si los datos recopilados por 160 científicos que trabajan en el proyecto OPERA eran correctos, se habría observado lo impensable.
- ¿Cuánto daño le haría a la Tierra un meteoroide, del tamaño de una camioneta, si viaja al 99.9999% de la velocidad de la luz?
- ¿Por qué hay dos tipos de relatividad, general y especial?
- ¿Einstein basó sus ecuaciones en el hecho de que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia? Si es así, ¿cómo justificó esto?
- ¿Cuáles son las condiciones para que algo viaje a la velocidad de la luz?
- ¿Puede la antimateria ser una partícula que va más rápido que la luz, lo que los hace retroceder en el tiempo?
Las partículas, en este caso, los neutrinos, habían viajado más rápido que la luz.
Esta vez los científicos se equivocaron
Según las teorías de la relatividad de Einstein, esto no debería haber sido posible. Y las implicaciones para mostrar que había sucedido eran vastas. Muchas partes de la física podrían tener que ser reconsideradas.
Aunque Ereditato dijo que él y su equipo tenían “alta confianza” en su resultado, no afirmaron que sabían que era completamente exacto. De hecho, pedían a otros científicos que los ayudaran a comprender lo que había sucedido.
Al final, resultó que el resultado de OPERA era incorrecto. Un problema de sincronización había sido causado por un cable mal conectado que debería haber estado transmitiendo señales precisas de los satélites GPS.
Hubo un retraso inesperado en la señal. Como consecuencia, las mediciones de cuánto tiempo tardaron los neutrinos en recorrer la distancia dada fueron de aproximadamente 73 nanosegundos, lo que hizo que pareciera que hubieran zumbado más rápido de lo que la luz podría haberlo hecho.
A pesar de meses de verificaciones cuidadosas antes del experimento, y una gran verificación doble de los datos después, esta vez los científicos se equivocaron. Ereditato renunció, aunque muchos señalaron que errores como estos ocurren todo el tiempo en la maquinaria enormemente compleja de los aceleradores de partículas.
¿Por qué era tan importante sugerir, incluso como una posibilidad, que algo hubiera viajado más rápido que la luz? ¿Y estamos realmente seguros de que nada puede?
tomemos la segunda de esas preguntas primero. La velocidad de la luz en el vacío es de 299,792.458 km por segundo, apenas una cifra agradable de 300,000 km / s. Eso es bastante nippy. El Sol está a 150 millones de kilómetros de la Tierra y la luz tarda solo ocho minutos y 20 segundos en llegar tan lejos.
Necesitaba usar cantidades cada vez mayores de energía adicional para hacer diferencias cada vez menores en la velocidad
¿Puede alguna de nuestras creaciones competir en una carrera con luz? Uno de los objetos creados por el hombre más rápidos jamás construidos, la sonda espacial New Horizons, pasada por Plutón y Caronte en julio de 2015. Ha alcanzado una velocidad relativa a la Tierra de poco más de 16 km / s, muy por debajo de 300,000 km / s.
Sin embargo, hemos hecho que pequeñas partículas viajen mucho más rápido que eso. A principios de la década de 1960, William Bertozzi, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, experimentó con la aceleración de electrones a velocidades cada vez mayores.
Debido a que los electrones tienen una carga que es negativa, es posible impulsarlos, o mejor dicho, repelerlos, aplicando la misma carga negativa a un material. Cuanta más energía se aplique, más rápido se acelerarán los electrones.
Puede imaginar que solo necesita aumentar la energía aplicada para alcanzar la velocidad requerida de 300,000 km / s, pero resulta que no es posible que los electrones se muevan tan rápido. Los experimentos de Bertozzi descubrieron que usar más energía no solo causaba un aumento directamente proporcional en la velocidad de los electrones.
A medida que los objetos viajan cada vez más rápido, se vuelven cada vez más pesados
En cambio, necesitaba usar cantidades cada vez mayores de energía adicional para hacer diferencias cada vez más pequeñas en la velocidad de movimiento de los electrones. Se acercaron cada vez más a la velocidad de la luz, pero nunca la alcanzaron.
Imagine viajar hacia una puerta en una serie de movimientos, en cada uno de los cuales viaja exactamente la mitad de la distancia entre su posición actual y la puerta. Estrictamente hablando, nunca llegarás a la puerta, porque después de cada movimiento que hagas, todavía tienes algo de distancia por recorrer. Ese es el tipo de problema que Bertozzi encontró con sus electrones.
Pero la luz está compuesta de partículas llamadas fotones. ¿Por qué estas partículas pueden viajar a la velocidad de la luz cuando partículas como los electrones no pueden?
“A medida que los objetos viajan más y más rápido, se vuelven más y más pesados: cuanto más pesados se vuelven, más difícil es lograr la aceleración, por lo que nunca se llega a la velocidad de la luz”, dice Roger Rassool, físico de la Universidad de Melbourne, Australia.
“Un fotón en realidad no tiene masa”, dice. “Si tuviera masa, no podría viajar a la velocidad de la luz”.
En su mayor parte, es justo decir que la luz viaja a 300,000 km / s
Los fotones son bastante especiales. No solo no tienen masa, lo que les da un reinado libre cuando se trata de pasar la aspiradora como en el espacio, sino que no tienen que acelerar. La energía natural que poseen, viajando como lo hacen en olas, significa que en el momento en que se crean, ya están a la máxima velocidad.
De hecho, de alguna manera tiene más sentido pensar en la luz como energía que como un flujo de partículas, aunque en verdad es, un poco confuso, ambos.
Aún así, la luz a veces parece viajar más lentamente de lo que podríamos esperar. Aunque a los técnicos de Internet les gusta hablar sobre las comunicaciones que viajan a “la velocidad de la luz” a través de fibras ópticas, la luz en realidad viaja alrededor de un 40% más lento a través del vidrio de esas fibras que a través de un vacío.
En realidad, los fotones todavía viajan a 300,000 km / s, pero se encuentran con un tipo de interferencia causada por la liberación de otros fotones de los átomos de vidrio a medida que la onda de luz principal pasa. Es un concepto difícil de entender, pero vale la pena señalar
Aún así, en su mayor parte es justo decir que la luz viaja a 300,000 km / s. Realmente no hemos observado ni creado nada que pueda ir tan rápido, o incluso más rápido. Hay algunos casos especiales, mencionados a continuación, pero antes de eso, abordemos esa otra pregunta. ¿Por qué es tan importante que esta regla de velocidad de la luz sea tan estricta?
Aunque la distancia ha aumentado, las teorías de Einstein insisten en que la luz aún viaja a la misma velocidad.
La respuesta radica, como tantas veces en física, en un hombre llamado Albert Einstein. Su teoría de la relatividad especial explora muchas de las consecuencias de estos límites de velocidad universales.
Uno de los elementos importantes en la teoría es la idea de que la velocidad de la luz es una constante. No importa dónde se encuentre o qué tan rápido viaje, la luz siempre viaja a la misma velocidad.
Pero eso crea algunos problemas conceptuales.
Imagina una luz brillante desde una antorcha hasta un espejo en el techo de una nave espacial estacionaria. La luz brillará hacia arriba, se reflejará en el espejo y bajará al piso de la nave espacial. Digamos que la distancia recorrida es de 10 m.
Ahora imaginemos que la nave espacial comienza a viajar a una velocidad espeluznante, muchos miles de kilómetros por segundo.
El tiempo viaja más lento para las personas que viajan en vehículos de movimiento rápido
Cuando vuelva a encender la antorcha, la luz seguirá pareciéndose como antes: brillará hacia arriba, golpeará el espejo y rebotará hacia el suelo. Pero para hacerlo, la luz tendrá que viajar en diagonal en lugar de solo verticalmente. Después de todo, el espejo ahora se mueve rápidamente junto con la nave espacial.
La distancia que recorre la luz, por lo tanto, aumenta. Imaginemos que ha aumentado en general en 5 m. Eso es 15m en total, en lugar de 10m.
Y, sin embargo, a pesar de que la distancia ha aumentado, las teorías de Einstein insisten en que la luz aún viaja a la misma velocidad. Como la velocidad es la distancia dividida por el tiempo, para que la velocidad sea la misma pero la distancia haya aumentado, el tiempo también debe haber aumentado.
Es un fenómeno conocido como dilatación del tiempo. Significa que el tiempo viaja más lento para las personas que viajan en vehículos que se mueven rápidamente, en comparación con aquellos que están estacionados.
Por ejemplo, el tiempo corre 0.007 segundos más lento para los astronautas en la Estación Espacial Internacional, que se mueve a 7.66 km / s en relación con la Tierra, en comparación con las personas en el planeta.
Los muones se generan con tanta energía que se mueven a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz.
Las cosas se ponen interesantes para las partículas, como los electrones mencionados anteriormente, que pueden viajar cerca de la velocidad de la luz. Para estas partículas, el grado de dilatación del tiempo puede ser excelente.
Steven Kolthammer, físico experimental de la Universidad de Oxford en el Reino Unido, señala un ejemplo que involucra partículas llamadas muones.
Los muones son inestables: se desmoronan rápidamente en partículas más simples. Tan rápido, de hecho, que la mayoría de los muones que salen del Sol deberían haberse desvanecido para cuando llegan a la Tierra. Pero en realidad, los muones llegan a la Tierra desde el Sol en grandes cantidades. Esto fue algo que los científicos encontraron difícil de entender.
“La respuesta a este rompecabezas es que los muones se generan con tanta energía que se mueven a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz”, dice Kolthammer. “Entonces, su sentido del tiempo, si lo desea, su reloj interno, en realidad corre lento”.
Los muones se “mantuvieron vivos” más de lo esperado, en relación con nosotros, gracias a un cambio de tiempo real y natural.
Cuando los objetos se mueven rápidamente en relación con otros objetos, su longitud también se contrae. Estas consecuencias, la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud, son ejemplos de cómo el espacio-tiempo cambia según el movimiento de cosas, como tú, yo o una nave espacial, que tienen masa.
Hay galaxias en el Universo que se alejan unas de otras a una velocidad mayor que la velocidad de la luz.
Crucialmente, como dijo Einstein, la luz no se ve afectada de la misma manera, porque no tiene masa. Por eso es tan importante que todos estos principios vayan de la mano. Si las cosas pudieran viajar más rápido que la luz, desobedecerían estas leyes fundamentales que describen cómo funciona el Universo.
Eso resume los principios clave. En este punto, podemos considerar algunas excepciones y advertencias.
Por un lado, aunque nunca se ha observado nada viajando más rápido que la luz, eso no significa que no sea teóricamente posible romper este límite de velocidad en circunstancias muy especiales.
Tomemos, por ejemplo, la expansión del Universo mismo. Hay galaxias en el Universo que se alejan unas de otras a una velocidad mayor que la velocidad de la luz.
Existe otra forma posible de que el viaje más rápido que la luz sea técnicamente posible.
Otra situación interesante se refiere a las partículas que parecen expresar las mismas propiedades al mismo tiempo, sin importar cuán separadas estén.
Esto se llama “enredo cuántico”. En esencia, un fotón se moverá de un lado a otro entre dos posibles estados al azar, pero los movimientos reflejarán exactamente el movimiento de otro fotón en otro lugar, si los dos están enredados.
Por lo tanto, dos científicos que estudian sus propios fotones obtendrán los mismos resultados al mismo tiempo, más rápido que la velocidad de la luz.
Sin embargo, en ambos ejemplos es crucial tener en cuenta que ninguna información viaja más rápido que la velocidad de la luz entre dos entidades. Podemos calcular la expansión del Universo, pero no podemos observar ningún objeto más rápido que la luz en él: han desaparecido de la vista.
Las galaxias vuelan lejos de nosotros (Crédito: National Geographic Creative / Alamy Stock Photo)
En cuanto a los dos científicos con sus fotones, aunque podrían lograr el mismo resultado simultáneamente, no pudieron confirmar el hecho entre ellos más rápido de lo que la luz podría viajar entre ellos.
“Esto nos saca de cualquier problema, porque si eres capaz de enviar señales más rápido que la luz puedes construir paradojas extrañas, bajo las cuales la información puede de alguna manera retroceder en el tiempo”, dice Kolthammer.
¿Qué pasa si en cambio distorsionas activamente el espacio-tiempo de manera controlada?
Existe otra forma posible en la que el viaje más rápido que la luz es técnicamente posible: grietas en el espacio-tiempo mismo que permiten a un viajero escapar de las reglas del viaje normal.
Gerald Cleaver, de la Universidad de Baylor en Texas, ha considerado la posibilidad de que algún día podamos construir una nave espacial más rápida que la luz. Una de las formas de hacerlo podría ser viajar a través de un agujero de gusano. Estos son bucles en el espacio-tiempo, perfectamente coherentes con las teorías de Einstein, que podrían permitir a un astronauta saltar de un bit del Universo a otro a través de una anomalía en el espacio-tiempo, una especie de atajo cósmico.
El objeto que viaja a través del agujero de gusano no excedería la velocidad de la luz, pero teóricamente podría alcanzar cierto destino más rápido que la luz si tomara una ruta “normal”.
Pero los agujeros de gusano podrían no estar disponibles para viajes espaciales. ¿Qué pasa si en cambio distorsionas activamente el espacio-tiempo de manera controlada, para viajar más rápido que 300,000 km / s en relación con otra persona?
Los agujeros de gusano serían útiles, si existen (Crédito: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Cleaver ha investigado una idea conocida como “impulso de Alcubierre”, propuesta por el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994. Esencialmente, describe una situación en la que el espacio-tiempo se aplasta frente a una nave espacial, empujándolo hacia adelante, mientras que el espacio-tiempo está atrás la nave se expande, creando un efecto de empuje.
“Pero entonces”, dice Cleaver, “están los problemas de cómo hacer eso y cuánta energía va a tomar”.
Los viajes más rápidos que la luz siguen siendo una fantasía en este momento.
En 2008, él y el estudiante graduado Richard Obousy calcularon algunas de las energías involucradas.
“Supusimos que, si supones que una nave mide aproximadamente 10m x 10m x 10m, estás hablando de 1,000 metros cúbicos, que la cantidad de energía que se necesitaría para comenzar el proceso tendría que ser del orden de toda la masa de Júpiter “.
Después de eso, la energía tendría que continuar proporcionándose constantemente para garantizar que el proceso no fallara. Nadie sabe cómo sería eso posible, o cómo sería la tecnología para hacerlo.
“No quiero ser citado erróneamente en los próximos siglos por predecir que nunca sucederá”, dice Cleaver, “pero en este momento no veo soluciones”.
Un viaje más rápido que la luz, entonces, sigue siendo una fantasía en este momento.
Pero aunque eso puede sonar decepcionante, la luz es todo menos eso. De hecho, durante la mayor parte de este artículo hemos estado pensando en términos de luz visible. Pero realmente la luz es mucho, mucho más que eso.
La luz visible es solo una parte del espectro electromagnético (Crédito: Cosmo Condina North America / Alamy Stock Photo)
Todo, desde ondas de radio hasta microondas y luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma emitidos por átomos en descomposición: todos estos fantásticos rayos están hechos de lo mismo: fotones.
La diferencia es la energía y, por lo tanto, su longitud de onda. Colectivamente, estos rayos forman el espectro electromagnético. El hecho de que las ondas de radio, por ejemplo, viajen a la velocidad de la luz es enormemente útil para las comunicaciones.
El espacio-tiempo es maleable y permite que todos experimenten las mismas leyes de la física.
En su investigación, Kolthammer construye circuitos que usan fotones para enviar señales de una parte del circuito a otra, por lo que está en condiciones de comentar sobre la utilidad de la increíble velocidad de la luz.
“La idea de que hemos construido la infraestructura de Internet, por ejemplo, e incluso antes de eso, la radio, basada en la luz, ciertamente tiene que ver con la facilidad con la que podemos transmitirla”, señala.
Agrega que la luz actúa como una fuerza de comunicación para el Universo. Cuando los electrones en el mástil de un teléfono móvil se agitan, los fotones salen volando y hacen que otros electrones en su teléfono móvil también se muevan. Es este proceso el que le permite hacer una llamada telefónica.
El movimiento de los electrones en el Sol también emite fotones, a tasas fantásticas, que, por supuesto, producen la luz que nutre la vida en la Tierra.
La luz es la transmisión del Universo. Esa velocidad, 299,792.458 km / s, permanece tranquilizadoramente constante. Mientras tanto, el espacio-tiempo es maleable y eso permite que todos experimenten las mismas leyes de la física sin importar su posición o movimiento.