Viaje a la velocidad de la luz

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Un viaje más rápido que la luz implica que un objeto material, o una señal de comunicación se mueve de un punto a otro más rápido que un haz de luz, es decir, más rápido que 299,792.46 kilómetros por segundo en el espacio vacío.

La posibilidad de viajar más rápido que la luz nunca estuvo en disputa hasta que Albert Einstein propuso la teoría especial de la relatividad en 1905. Esta teoría establece que, por razones muy fundamentales, la velocidad de la luz es el límite máximo de velocidad para cualquier objeto o señal. Esta limitación se aplica también a las nociones inmateriales, tales como pensamientos, mensajes o sentimientos. La teoría especial de la relatividad afirma que el concepto de un viaje más rápido que la luz es una violación de los principios físicos básicos y es, por lo tanto, una imposibilidad.

Quizá debido al hecho de que la ciencia ficción cautivó la cultura popular del siglo XX, la noción de viajes más rápidos que la luz se ha profundizado con nuestra expectativa de cómo se desarrollará el futuro. Los viajes espaciales a planetas lejanos que orbitan estrellas de galaxias lejanas se ven a menudo como si estuvieran solamente a algunas generaciones de tecnología en el futuro. Sin embargo, la posibilidad de moverse por el espacio a velocidades que hacen posibles estos viajes interestelares tan rápidos es tan improbable hoy como lo fue en el cambio de siglo. Esto se debe a que la relatividad especial no es una limitación técnica que pueda ser derrotada por ingeniería inteligente aún no inventada. Más bien, es un principio fundamental de la física que es, hasta donde sabemos, inviolable.

La noción de que existe un conjunto inmutable de leyes físicas que operan en todo el universo, es un supuesto fundamental de la teoría de Einstein. La ciencia de la física simplemente no sería posible si cada físico descubriera leyes completamente diferentes. Esta idea está estrechamente relacionada con el concepto de causalidad, que dicta que todas las ocurrencias en el universo físico deben tener una causa y que esta causa debe preceder al efecto en el tiempo. La causalidad es también un supuesto fundamental de la relatividad especial.

Otro supuesto básico de la relatividad especial es la idea de que el espacio vacío está realmente vacío. Aunque esta noción puede parecer obvia para la mente moderna, la naturaleza exacta del así llamado espacio vacío y lo que podría llenarlo, era una cuestión de gran interés científico en el cambio de siglo. Considere el ejemplo de un submarino. Cuando un físico viaja en un submarino, es posible determinar si él o ella se está moviendo a través del agua por varios métodos. Por ejemplo, se podría colocar un pequeño molinillo en el casco del submarino e inferir el movimiento a través del agua observándolo girar. O se podría medir la diferencia en las presiones sobre el arco y la popa del submarino. Pero ahora considere el mismo submarino en el espacio vacío. Si el espacio está realmente vacío, entonces no hay medio para girar un molinete o para empujar contra el casco. De hecho, si el espacio es realmente "nada", entonces ni siquiera tiene sentido hablar de moverse "a través" de espacio en absoluto. Todo lo que el físico puede decir es que él o ella está en movimiento con relación a otros objetos, como planetas, asteroides u otras naves espaciales.

La implicación última de esto es que todos los viajeros del espacio, no importa cómo se muevan el uno al otro, son igualmente incapaces de determinar su movimiento relativo al espacio vacío. Sin embargo, considere la hipótesis alternativa: que el espacio no es realmente vacío, sino que está lleno de una sustancia especial llamada "éter". Si hubiera alguna manera de detectar el supuesto éter, entonces un piloto espacial podría concluir que él o ella se mueve, por ejemplo, a 100 kilómetros por hora con relación al éter. Además, uno podría imaginar viajar "con" o "contra" el éter, y, por supuesto, el "viento cruzado" del éter también tendría perfecto sentido. Pero lo más importante es que hay un grupo especial de físicos que podrían determinar que no se mueven en absoluto en el éter. De hecho, los miembros de este grupo se considerarían estar en "descanso absoluto" en el universo. La idea del éter es bastante convincente porque con ella podemos entender la luz de la misma forma en que entendemos el sonido: la luz es la vibración del éter como el sonido es la vibración del aire. La hipótesis del éter plantea la siguiente pregunta obvia: ¿no debería el movimiento del observador a través del éter afectar su determinación de la velocidad de la luz? Si el éter se está moviendo con relación a la Tierra, entonces nuestra medida de la velocidad de la luz dependerá de la dirección en la que se desplace la luz. El problema es análogo a la idea de "velocidad aerodinámica" y "velocidad en tierra" para aviones; si uno viaja con el viento, la velocidad en tierra es más rápida que si se viaja contra el viento. A pesar de muchos años de esfuerzo, ningún físico ha observado nunca que la luz se mueva a través del espacio vacío a una velocidad diferente a 299,792 kilómetros por segundo. Ningún intento de observar el éter, o cualquiera de sus efectos, ha sido exitoso. Einstein procedió a desarrollar una teoría de la física suponiendo que el espacio es verdaderamente vacío, que el éter no existe y que no existe el reposo absoluto.

Ahora podemos empezar a ver por qué la luz juega un papel tan especial en la física. La luz se propaga a través de "nada", y no se puede determinar la velocidad de uno en relación con la nada. Por lo tanto, no es posible, ni siquiera en principio, corregir la propagación de la luz para el movimiento del observador. Esto conduce a la conclusión siguiente: todos los físicos miden la velocidad de la luz en 299,792 kilómetros por segundo sin importar donde están o qué tan rápidamente se están moviendo.

Para ayudar a visualizar este último punto, imagine una nave espacial moviéndose al 99 por ciento de la velocidad de la luz, relativa a una estación espacial. El piloto de la nave espacial enciende un faro. La tripulación de la nave espacial verá el haz de luz deslizarse por delante de la nave a una velocidad de 299,792 kilómetros por segundo. La tripulación de la estación espacial, sin embargo, también ve el mismo rayo de luz moverse a 299,792 kilómetros por segundo. Esto significa que la tripulación de la estación espacial ve la luz apenas apenas fluir delante de la nave espacial. Obviamente, estas dos observaciones se contradicen entre sí. ¿La luz se aleja de la nave espacial a 299,792 kilómetros por segundo, o simplemente se arrastra delante de la nave a 2,997 kilómetros por segundo? La respuesta es que depende de quién seas. Pero ambos observadores miden exactamente la misma velocidad para el rayo de luz, es decir, 299,792 kilómetros por segundo. La implicación fascinante de esto es que las distancias y los intervalos de tiempo para los viajeros espaciales en movimiento deben ser diferentes. Esta observación conduce a las célebres nociones de "dilatación del tiempo" y "contracción de la longitud".[1] Estos ajustes en tiempo y longitud compensan exactamente el movimiento relativo entre los observadores para que todas las leyes de la física sean las mismas para la tripulación de la nave espacial y la tripulación de la estación. Curiosamente, sus observaciones son diferentes, pero las leyes que describen estas observaciones son las mismas.

En este punto, cualquiera puede ser impresionado por la enorme generalidad de la relatividad especial. La velocidad de la luz no es una limitación técnica. Es una consecuencia de nuestras suposiciones más profundas acerca de cómo funciona la física: la causalidad, el espacio vacío y la existencia de leyes universalmente aplicables de la física. Dos conclusiones importantes de la Teoría Especial de la Relatividad son que todas las formas de energía que son capaces de auto propagarse en el espacio vacío deben compartir la misma velocidad fija y que nada puede moverse más rápido que esta velocidad. Sólo se sabe que la luz y la gravedad se auto propagan a través del espacio vacío. Todas las demás formas de materia (para esta discusión, la luz y la gravedad son formas de materia) deben ser empujadas.

En los años desde 1905, la relatividad especial se ha convertido en una de las teorías más bien verificadas en toda la ciencia, y su credibilidad nunca ha sido cuestionada por pruebas experimentales sólidas. Debido a esta extrema credibilidad, cualquier observación de viajes más rápidos que la luz sería un descubrimiento impactante.

No obstante, los viajes más rápidos que la luz son una parte importante de muchos modelos pseudocientíficos, especialmente modelos de visitas extraterrestres, proyecciones astrales y canalización. Los extraterrestres que visitan la Tierra ciertamente habrían venido de lugares fuera del sistema solar. Si tomamos en serio la idea de que viajan aquí en forma material, ciertamente viajarían más rápido que la luz; de lo contrario, su viaje habría tomado miles, si no millones, de años.

Los promotores conocedores de las pseudoteorías de las visitas extraterrestres podrían señalar la noción de la dilatación del tiempo para explicar tales viajes. La relatividad especial predice que los objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz experimentan que el tiempo se mueve a un ritmo más lento y, por lo tanto, un viaje de mil años a un observador terrestre podría terminar en pocos días para el viajero extraterrestre. Sin embargo, la relatividad especial hace extremadamente difícil incluso acercarse a la velocidad de la luz, y podría requerir fácilmente más energía que el total de la producción de varios años de todas las plantas de energía en la tierra para alcanzar velocidades en las cuales la dilatación del tiempo sea plausible. Pero incluso si tal energía pudiera ser aprovechada, el hecho es que esta forma de viajar no es más rápida que la luz.

Modelos pseudocientíficos de proyección astral y canalización intentan superar las limitaciones de la relatividad especial al afirmar que el cuerpo físico no viaja realmente a ninguna parte. En cambio, sólo un cuerpo etéreo, dicen, o incluso sólo los pensamientos de las personas o los extraterrestres que viven cerca de las estrellas lejanas o galaxias realmente pueden cruzar la vasta extensión del espacio más rápido que la velocidad de la luz. A pesar de que las propiedades de los cuerpos astrales y de los pensamientos canalizados son completamente especulativas y desconocidas, las bases de la relatividad especial son tan fundamentales que cualquier apelación a la comunicación o transferencia incorpórea está expresamente prohibida. Esto se debe a que la relatividad especial también prohíbe la transmisión de información, en cualquier forma, a una velocidad más rápida que la luz. Como se mencionó anteriormente, la base de esta restricción es el compromiso científico con la noción de causa y efecto.

¿Hay alguna laguna que pueda permitir un viaje más rápido que la luz?

Primero, se tendría que abandonar la idea de causalidad, pero ninguna observación que se haya hecho hasta hoy apoya esa opción.

Segundo, podríamos intentar apelar a la Teoría General de la Relatividad, también ideada por Albert Einstein, que conecta la presencia de la materia y la energía con la estructura del espacio y del tiempo. Ciertas manipulaciones extremas de la relatividad general combinadas con algunas suposiciones especulativas permiten la posibilidad de manipular la estructura misma del espacio de una manera que permite viajes más rápidos que la luz. Entre estas ideas están los llamados agujeros de gusano, que se dice que conectan regiones muy separadas del espacio-tiempo, y el Impulso de torsión de Alcubierre (Warp Drive).[2]

Aunque es arriesgado predecir lo que traerá el futuro, parece claro que los requerimientos energéticos necesarios para construir agujeros de gusano son mucho más de lo que una civilización terrestre podría esperar generar. De hecho, cualquier intento de lograr viajes más rápidos que la luz usando la relatividad general está actualmente plagado de nociones a la materia exótica, energías extremas y a la especulación pesada.

La tercera posibilidad a la que muchos recurren es que otra gran teoría de la física -la mecánica cuántica- podría derrotar a la barrera de la luz. La famosa paradoja de Einstein-Rosen-Poldovsky (ERP) busca demostrar que la mecánica cuántica es inconsistente con la relatividad especial.[3] Por lo tanto, la paradoja de ERP enfrenta las dos teorías de la física más respetadas entre sí en un intento de demostrar que no pueden ser ambas cosas verdaderas al mismo tiempo. La investigación experimental sobre la cuestión ha indicado claramente que la mecánica cuántica sí exhibe ciertas formas de influencias más rápidas que de luz; sin embargo, no es difícil demostrar que estas influencias nunca pueden ser usadas para transmitir información y por lo tanto no amenazan la asunción de causalidad. Parece que las dos teorías, de hecho, no se contradicen entre sí.

Por último, un experimento reciente ha descubierto que ciertos impulsos láser que se propagan a través de un gas especialmente preparado han atravesado ese gas más rápido que la luz. Sin embargo, en el resumen de su informe, los investigadores que llevaron a cabo este experimento incluyeron esta declaración: "La propagación del pulso luminoso superluminal observada no está en desacuerdo con la causalidad".[4] Esta afirmación significa que nunca será posible utilizar su técnica como un dispositivo de señalización y, por lo tanto, que no hay violación de la relatividad especial.[5]

Para conocer más, véanse los siguientes artículos relacionados

Referencias y ligas externas

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  1. Griffiths, David J. (1989). Introduction to Electrodynamics. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.
  2. Alcubierre, Miguel (1994). The Warp Drive: Hyper-Fast Travel within General Relativity. Classical and Quantum Gravity 11: L73–L77 en formato PDF para descarga.
  3. Sakurai, J. J. (1994). Modern Quantum Mechanincs. Rev. ed. New York: Addison-Wesley.
  4. Wang, L. J., A. Kuzmich, and A. Dogariu (2000). Gain-Assisted Superluminal Light Propagation. Nature 406 (July 20): 277. En formarto PDF para descarga.
  5. Michael Shermer. (2002). The Skeptic Encyclopedia Of Pseudoscience. ABC-CLIO, Inc. ISBN 1576076539