En septiembre de 2011, el físico Antonio Ereditato conmocionó al mundo. Su declaración podría cambiar nuestra comprensión del universo. Si los datos recopilados por los 160 científicos de OPERA eran correctos, se observó lo increíble. Las partículas, en este caso los neutrinos, se movieron más rápido que la luz. Según la teoría de la relatividad de Einstein, esto es imposible. Y las consecuencias de tal observación serían increíbles. Quizás habría que revisar los propios fundamentos de la física.
Si bien Ereditato dijo que él y su equipo estaban "extremadamente confiados" en sus resultados, no dijeron que los datos fueran perfectamente precisos. Por el contrario, pidieron a otros científicos que los ayudaran a descubrir qué estaba pasando.
Al final, resultó que los resultados de OPERA estaban equivocados. Un cable mal conectado provocó un problema de sincronización y las señales de los satélites GPS eran inexactas. Hubo un retraso inesperado en la señal. Como resultado, las mediciones del tiempo que tardaron los neutrinos en cubrir una cierta distancia mostraron 73 nanosegundos adicionales: parecía que los neutrinos volaban más rápido que la luz.
A pesar de meses de escrutinio antes de comenzar el experimento y de volver a verificar los datos después, los científicos estaban seriamente equivocados. Ereditato renunció, contrariamente a las declaraciones de muchos de que tales errores siempre ocurrían debido a la extrema complejidad del dispositivo de los aceleradores de partículas.
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¿Por qué la suposición, solo la suposición, de que algo podría moverse más rápido que la luz causa tal ruido? ¿Qué tan seguros estamos de que nada puede superar esta barrera?
Veamos primero la segunda de estas preguntas. La velocidad de la luz en el vacío es de 299.792,458 kilómetros por segundo; por conveniencia, este número se redondea a 300.000 kilómetros por segundo. Es bastante rapido. El sol está a 150 millones de kilómetros de la Tierra y su luz llega a la Tierra en solo ocho minutos y veinte segundos.
¿Alguna de nuestras creaciones puede competir en la carrera contra la luz? Uno de los objetos artificiales más rápidos jamás construidos, la sonda espacial New Horizons pasó zumbando a Plutón y Caronte en julio de 2015. Alcanzó una velocidad relativa a la Tierra de 16 km / s. Mucho menos de 300.000 km / s.
Sin embargo, teníamos partículas diminutas que se movían muy rápidamente. A principios de la década de 1960, William Bertozzi, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, experimentó con la aceleración de electrones a velocidades aún mayores.
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Dado que los electrones tienen una carga negativa, pueden acelerarse, más precisamente rechazarse, aplicando la misma carga negativa al material. Cuanta más energía se aplica, más rápido se aceleran los electrones.
Uno pensaría que solo necesita aumentar la energía aplicada para acelerar a una velocidad de 300,000 km / s. Pero resulta que los electrones simplemente no pueden moverse tan rápido. Los experimentos de Bertozzi demostraron que el uso de más energía no conduce a un aumento directamente proporcional en la velocidad de los electrones.
En cambio, se tuvieron que aplicar grandes cantidades de energía adicional para alterar la velocidad de los electrones, aunque sea ligeramente. Se acercaba cada vez más a la velocidad de la luz, pero nunca la alcanzó.
Imagínese caminar hacia la puerta en pequeños pasos, cada uno de los cuales recorre la mitad de la distancia desde su posición actual hasta la puerta. Estrictamente hablando, nunca llegarás a la puerta, porque después de cada paso que des, tendrás una distancia que superar. Bertozzi se enfrentó aproximadamente a un problema de este tipo al tratar con sus electrones.
Pero la luz está formada por partículas llamadas fotones. ¿Por qué estas partículas pueden moverse a la velocidad de la luz, pero los electrones no?
“A medida que los objetos se mueven cada vez más rápido, se vuelven más pesados; cuanto más pesados, más difícil es acelerarlos, por lo que nunca se llega a la velocidad de la luz”, dice Roger Rassoul, físico de la Universidad de Melbourne en Australia. “Un fotón no tiene masa. Si tuviera masa, no podría moverse a la velocidad de la luz.
Los fotones son especiales. No solo carecen de masa, lo que les proporciona total libertad de movimiento en el vacío del espacio, sino que tampoco necesitan acelerar. La energía natural que tienen a su disposición se mueve en oleadas, al igual que ellos, por lo que al momento de su creación ya tienen máxima velocidad. En cierto sentido, es más fácil pensar en la luz como energía que como una corriente de partículas, aunque en realidad la luz es ambas cosas.
Sin embargo, la luz viaja mucho más lento de lo que podríamos esperar. Mientras que a los técnicos de Internet les gusta hablar de comunicaciones que operan a la "velocidad de la luz" en la fibra, la luz viaja un 40% más lento en el vidrio de esa fibra que en el vacío.
En realidad, los fotones viajan a una velocidad de 300.000 km / s, pero encuentran una cierta cantidad de interferencia, interferencia causada por otros fotones que son emitidos por los átomos de vidrio cuando pasa la onda de luz principal. Puede que esto no sea fácil de entender, pero al menos lo intentamos.
De la misma manera, en el marco de experimentos especiales con fotones individuales, fue posible ralentizarlos de manera impresionante. Pero en la mayoría de los casos será válido el número de 300 000. No hemos visto ni creado nada que pueda moverse tan rápido, ni siquiera más rápido. Hay puntos especiales, pero antes de tocarlos, toquemos nuestra otra pregunta. ¿Por qué es tan importante que se siga estrictamente la regla de la velocidad de la luz?
La respuesta tiene que ver con un hombre llamado Albert Einstein, como suele ser el caso de la física. Su teoría especial de la relatividad examina las muchas consecuencias de sus límites de velocidad universales. Uno de los elementos más importantes de la teoría es la idea de que la velocidad de la luz es constante. No importa dónde se encuentre o qué tan rápido se mueva, la luz siempre se mueve a la misma velocidad.
Pero esto tiene varios problemas conceptuales.
Imagínese la luz que cae de una linterna sobre un espejo en el techo de una nave espacial estacionaria. La luz sube, se refleja en el espejo y cae sobre el suelo de la nave espacial. Digamos que cubre una distancia de 10 metros.
Ahora imagine que esta nave espacial comienza a moverse a una velocidad colosal de muchos miles de kilómetros por segundo. Cuando enciendes la linterna, la luz se comporta como antes: brilla hacia arriba, golpea el espejo y se refleja en el suelo. Pero para hacer esto, la luz tendrá que viajar una distancia diagonal, no vertical. Después de todo, el espejo ahora se mueve rápidamente con la nave espacial.
En consecuencia, aumenta la distancia que recorre la luz. Digamos 5 metros. Resultan 15 metros en total, no 10.
A pesar de esto, aunque la distancia ha aumentado, las teorías de Einstein afirman que la luz seguirá moviéndose a la misma velocidad. Dado que la velocidad es la distancia dividida por el tiempo, dado que la velocidad permanece igual y la distancia aumenta, el tiempo también debe aumentar. Sí, el tiempo mismo debe alargarse. Aunque suene extraño, se ha confirmado experimentalmente.
Este fenómeno se llama dilatación del tiempo. El tiempo se mueve más lentamente para las personas que se mueven en vehículos que se mueven rápidamente, en comparación con aquellos que están estacionados.
Por ejemplo, el tiempo viaja 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 los humanos en el planeta. Aún más interesante es la situación con partículas como los electrones antes mencionados, que pueden viajar cerca de la velocidad de la luz. En el caso de estas partículas, el grado de desaceleración será enorme.
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Stephen Kolthammer, físico experimental de la Universidad de Oxford en el Reino Unido, señala un ejemplo con partículas llamadas muones.
Los muones son inestables: se descomponen rápidamente en partículas más simples. Tan rápido que la mayoría de los muones que salen del Sol deberían desintegrarse cuando lleguen a la Tierra. Pero en realidad, los muones llegan a la Tierra desde el Sol en volúmenes colosales. Los físicos han intentado durante mucho tiempo averiguar por qué.
“La respuesta a este misterio es que los muones se generan con tal energía que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz”, dice Kolthammer. "Su sentido del tiempo, por así decirlo, su reloj interno corre lento".
Los muones "sobreviven" más de lo esperado en relación con nosotros, gracias a la actual curvatura natural del tiempo. Cuando los objetos se mueven rápidamente en relación con otros objetos, su longitud también disminuye, se contrae. Estas consecuencias, la dilatación del tiempo y la disminución de la duración, son ejemplos de cómo el espacio-tiempo cambia según el movimiento de las cosas (yo, usted o la nave espacial) con masa.
Lo importante, como decía Einstein, no afecta a la luz, ya que no tiene masa. Por eso estos principios van de la mano. Si los objetos pudieran moverse más rápido que la luz, obedecerían leyes fundamentales que describen cómo funciona el universo. Estos son principios clave. Ahora podemos hablar de algunas excepciones y derogaciones.
Por un lado, aunque no hemos visto nada que se mueva más rápido que la luz, esto no significa que este límite de velocidad teóricamente no pueda romperse en condiciones muy específicas. Tomemos, por ejemplo, la expansión del propio universo. Las galaxias del Universo se alejan unas de otras a velocidades mucho más rápidas que la luz.
Otra situación interesante se refiere a partículas que comparten las mismas propiedades al mismo tiempo, sin importar qué tan lejos estén unas de otras. Este es el llamado "entrelazamiento cuántico". Un fotón rotará hacia arriba y hacia abajo, eligiendo aleatoriamente entre dos estados posibles, pero la elección de la dirección de rotación se reflejará con precisión en el otro fotón en otra parte si están entrelazados.
Dos científicos, cada uno estudiando su propio fotón, obtendrán el mismo resultado simultáneamente, más rápido de lo que permitiría la velocidad de la luz.
Sin embargo, en ambos ejemplos, es importante tener en cuenta que ninguna información viaja más rápido que la velocidad de la luz entre dos objetos. Podemos calcular la expansión del Universo, pero no podemos observar los objetos más rápido que la luz en él: han desaparecido del campo de visión.
En cuanto a los dos científicos con sus fotones, aunque podían obtener el mismo resultado al mismo tiempo, no podían dejarse saber el uno al otro más rápido de lo que la luz viaja entre ellos.
“Esto no representa ningún problema para nosotros, porque si eres capaz de enviar señales más rápido que la luz, obtienes paradojas extrañas según las cuales la información de alguna manera puede viajar en el tiempo”, dice Kolthammer.
Hay otra forma posible de hacer técnicamente posible un viaje más rápido que la luz: las fisuras en el espacio-tiempo que permitirían al viajero evitar las reglas del viaje normal.
Gerald Cleaver de la Universidad de Baylor en Texas cree que algún día seremos capaces de construir una nave espacial que viaje más rápido que la luz. Que se mueve a través de un agujero de gusano. Los agujeros de gusano son bucles en el espacio-tiempo que encajan perfectamente en las teorías de Einstein. Podrían permitir que un astronauta saltara de un extremo del universo al otro usando una anomalía en el espacio-tiempo, alguna forma de atajo cósmico.
Un objeto que atraviesa un agujero de gusano no excederá la velocidad de la luz, pero teóricamente podría llegar a su destino más rápido que la luz que viaja a lo largo de la trayectoria "normal". Pero los agujeros de gusano pueden no ser accesibles para los viajes espaciales en absoluto. ¿Podría haber otra forma de distorsionar activamente el espacio-tiempo para que se mueva más rápido que 300.000 km / s en relación con otra persona?
Cleaver también exploró la idea de un "motor Alcubierre" propuesto por el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994. Describe una situación en la que el espacio-tiempo se contrae frente a la nave espacial, empujándola hacia adelante y se expande detrás de ella, también empujándola hacia adelante. “Pero luego”, dice Cleaver, “surgieron problemas: cómo hacerlo y cuánta energía se necesitaría.
En 2008, él y su estudiante graduado Richard Aubosie calcularon cuánta energía se necesitaría.
"Imaginamos una nave espacial de 10 mx 10 mx 10 m (1000 metros cúbicos) y calculamos que la cantidad de energía necesaria para iniciar el proceso sería equivalente a la masa de todo Júpiter".
Después de eso, la energía debe "verterse" constantemente para que el proceso no termine. Nadie sabe si esto alguna vez será posible, o cómo serán las tecnologías requeridas. "No quiero que se me cite durante siglos como una predicción de algo que nunca sucederá", dice Cleaver, "pero todavía no veo soluciones".
Por lo tanto, viajar más rápido que la velocidad de la luz sigue siendo una fantasía en este momento. Hasta ahora, la única forma de visitar un exoplaneta durante la vida es sumergirse en una animación suspendida profunda. Y, sin embargo, no todo está mal. En la mayoría de los casos, hablamos de luz visible. Pero en realidad, la luz es mucho más. Desde ondas de radio y microondas hasta luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma emitidos por los átomos a medida que se desintegran, estos hermosos rayos están formados por lo mismo: fotones.
La diferencia está en energía, es decir, en longitud de onda. Juntos, estos rayos forman el espectro electromagnético. El hecho de que las ondas de radio, por ejemplo, viajen a la velocidad de la luz es increíblemente útil para la comunicación.
En su investigación, Kolthammer crea un circuito que utiliza fotones para transferir señales de una parte del circuito a otra, por lo que se merece el derecho a comentar sobre la utilidad de la increíble velocidad de la luz.
“El hecho mismo de que construyéramos la infraestructura de Internet, por ejemplo, y antes la radio basada en la luz, tiene que ver con la facilidad con la que podemos transmitirla”, apunta. Y agrega que la luz actúa como la fuerza de comunicación del universo. Cuando los electrones de un teléfono móvil comienzan a temblar, los fotones salen disparados y hacen que los electrones del otro teléfono móvil también se muevan. Así es como nace una llamada telefónica. Los temblores de los electrones en el Sol también emiten fotones - en grandes cantidades - que, por supuesto, forman la luz que da a la vida calor y, ejem, luz a la vida en la Tierra.
La luz es el lenguaje universal del universo. Su velocidad, 299 792,458 km / s, permanece constante. Mientras tanto, el espacio y el tiempo son maleables. Quizás no deberíamos pensar en cómo movernos más rápido que la luz, pero ¿cómo movernos más rápido a través de este espacio y este tiempo? ¿Madurar de raíz, por así decirlo?
