La velocidad de la luz: ¿Una constante insuperable?

E=mc2. La fórmula más conocida de la historia de la ciencia. Está ecuación tiene una constante muy especial que es c, la velocidad de la luz. ¿Por qué es especial? Pues por dos razones.

La primera razón es que su valor máximo es constante. La segunda es que nada puede superar la velocidad de la luz, al menos en teoría. En este artículo vamos a hablar de la velocidad de la luz y de por qué no se puede superar. En un artículo posterior hablaremos de algunos trucos que nos ofrece la ciencia ficción para tratar de superar la velocidad de la luz

Pero empecemos con la velocidad de la luz.

Nota: Hablando con propiedad c es la velocidad máxima alcanzable por cualquier partícula. Se le suele llamar velocidad de la luz, pero realmente sería la velocidad máxima universal

Velocidades relativas

El movimiento depende del punto de referencia

Para comprobar que tiene de especial la velocidad de la luz, veamos primero como funciona la velocidad. Imaginemos que estamos en el arcén de una autopista y medimos la velocidad de un coche desde nuestra posición. Supongamos que medimos 100 Km/h.

Ahora, un compañero nuestro conduce una moto a 80 Km/h, en el mismo sentido que el coche, y mide la velocidad relativa del mismo. Desde su punto de referencia, medirá 20 Km/h. Si la moto fuera a 80 Km/h, pero en sentido contrario, mediría una velocidad relativa de 180 Km/h

Es decir, las velocidades, al ser medidas desde sistemas de referencia en movimiento, se suman o se restan. Por cierto, esta es la explicación física por la que un choque frontal conduciendo es tan peligroso. Ahora bien ¿Pasa lo mismo con la velocidad de la luz?

Es decir, si yo me muevo a una velocidad de 0.9*c y mido la velocidad un rayo de luz que venga contra mí, ¿obtendré una velocidad de 1.9*c ? Es decir, ¿la velocidad de la luz es relativa en función del punto de referencia? Cualquier físico anterior a Einstein habría dicho que sí.

El Eter y el experimento de Michelson y Morley

Un avión perturba el aire

En el siglo XIX se consideraba que la luz, como cualquier otra onda, necesitaba de algún medio para transportase. Por tanto, suponían que el universo debía estar ocupado por una sustancia llamada “éter”, de densidad extremadamente baja, a través de la cual se movía la luz.

Por lógica, si el éter ocupaba el universo, la Tierra estaría rodeada de éter. La Tierra se mueve y ¿qué pasa cuando un sólido se mueve a través de un fluido? Pues que el fluido se altera. Es como una barca moviéndose a través del agua, o un avión atravesando el cielo. El fluido se modifica.

Pues bien, en función de estas alteraciones, Michelson y Morley pensaron que podrían medir el éter. La idea es lanzar dos rayos de luz por direcciones distintas y medir el tiempo que tardan en llegar. En teoría, al recorrer cada rayo la misma longitud pero atravesando distintas “olas” en el éter, cada rayo de luz debería llegar a velocidades distintas, en función de las alteraciones del éter.

Sin resultados. La luz no se inmutaba por el éter. No había manera de encontrar este éter y la luz parecía moverse siempre a la misma velocidad. Esto era algo bastante extraño y que no podía ser explicado por ningún ley física conocida en el momento. Todos pensaron que el experimento estaba haciéndose mal.

Pero algunos dijeron, ¿y si el experimento está saliendo bien, el éter no existe y la velocidad de la luz es invariable? Uno de los primeros en decir que tal vez había que revisar las teorías y no el experimento fue Ernst Mach, en cuyo honor se llama la unidad de velocidad para aviones supersónicos.

Fuente: Experimento de Michelson y Morley

La luz como constante

Una nave viajando a velocidades próximas a la luz

Un par de años después Maxwell confirmó que la velocidad de la luz es una constante. Y finalmente Einstein, en su teoría de la relatividad, confirmó que la velocidad era constante en cualquier sistema de referencia. Y que el eter no existía. De hecho, una de las bases de la teoría de la relatividad es explicar el movimiento de la luz. Veamoslo a continuación.

Imaginemos dos naves espaciales viajando la una contra la otra, a una velocidad de 0.9*c . Ambos miden la velocidad de un rayo de luz. Según la física clásica, la velocidad de luz medida desde ambas naves, debería ser 1.9*c Pues bien, da igual que estemos en un sistema de referencia en movimiento. Mediremos c.

Porque la velocidad de la luz es una constante universal, independientemente del punto de referencia.

Pero hay otra cuestión. ¿Y si las naves midieran la velocidad de su opuesta? Según la física clásica, deberían medir una velocidad de 1.8*c. Pues tampoco, Einstein demostró que las naves medirían una velocidad de 0.99*c , pero no c.

Porque la velocidad de la luz no puede ser superada, independientemente del punto de referencia.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_de_la_luz#Velocidad_constante_para_todos_los_marcos_de_referencia
(aquí podrás ver la ecuación de Einstein usada para calcular velocidades relativas en movimientos próximos a la luz)

Imposibilidad de ir más rápido que la luz

Einstein nos dijo, y demostró, que nada puede superar la velocidad de la luz. ¿Por qué? En principio tenemos dos inconvenientes que nos impiden superar esta velocidad. El primero es el problema de la masa, el segundo es el principio de causalidad.

El principal problema proviene de las nuevas relaciones matemáticas que Einstein descubrió entre masa, velocidad, aceleración, energía y demás atributos físicos. El problema, básicamente, consiste en que al acelerar un objeto, su masa crece. Según nos vamos acercando a una velocidad próxima a la luz, la masa empieza a ser cada vez mayor.

En teoría, al llegar a la velocidad de la luz, la masa habrá crecido hasta el infinito. Y para poder acelerar un objeto de masa infinita necesitariamos energía infinita, lo cual es imposible de obtener. De hecho, tanto los conceptos de masa y velocidad infinitas no tienen sentido físico.

Por esto, lás únicas partículas que pueden alcanzar la velocidad c son los fotones, que tienen masa cero. Algunos teóricos han definido la partícula llamada taquión que sería una partícula hipotética de masa imáginaria. Pero nadie ha podido probar que los taquiones existan, ni se les ha ocurrido forma alguna de recrear uno en un laboratorio. De hecho, nadie sabría explicar físicamente el concepto de “masa imaginaria”.

Un cono de luz, dividiendo el espacio tiempo en futuro y pasado
El segundo problema es el principio de causalidad, un poco más complejo de entender. Entre las nuevas formas de ver el espacio tiempo introducidas por la relatividad de Einstein se encuentran los llamados conos de luz. Según esta representación, los fenomenos que podemos percibir están definidos por dos conos, uno hacia el futuro y otro hacia el pasado. Estos conos engloban los eventos que pueden ser percibidos, o podrán ser percibidos en el futuro, partiendo de la base de que la información se transmite a la velocidad de la luz. (Ver el diagrama)

Este principio de causalidad es, actualmente, una característica intrínseca del universo, en el cual todo fenómeno físico tiene una causa y un mismo fenómeno físico no puede ser causa de su propia causa. Superar la velocidad de la luz implicaría que podríamos romper la causalidad y ser causa de nuestra causa. Dicho de otra forma, al superar la velocidad de la luz se rompería la causalidad, creándose bucles de tiempo. Por cierto, por si se os está pasando por la cabeza, esta es la razón por la cual se dice que una de las posibles maneras de viajar en el tiempo sería superando la velocidad de la luz.

Llegados a este punto, puedes que os estéis preguntando, ¿de verdad no se puede superar la velocidad de la luz? Pues yo leí en el periódico que unos físicos lo habían conseguido. Y también lo dijeron en la tele.

Como era de esperar, nos encontramos ante una mala interpretación de “ir más rápido que la luz”. Veamoslo ahora mismo

Fuentes:
http://es.wikipedia.org/wiki/Fotón
http://es.wikipedia.org/wiki/Taquión
http://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_luz

Malinterpretaciones comunes

Experimento con LASER

Lo primero de todo, una definición física. Las ondas electromágneticas tienen muchas características asociadas. Amplitud, frecuencia, fase, velocidad de grupo, etc. Pues bien, por ir más rápido que la luz se entiende transmitir algo, información o materia, de un punto a otro a una velocidad superior a la luz. La clave es esa: ¿se ha logrado transmitir materia o información a velocidades superiores a la luz? No. Entonces, ¿qué es lo que se ha hecho?

Superar la velocidad de fase. La velocidad de fase es la velocidad a la cual la fase de una onda se propaga, es decir, la velocidad a la que se mueven sus ciclos internos (Ver diagrama). El supuesto experimento que se publicitó como “velocidad más rápida que la luz”, lo único que había conseguido, es que las variaciones de la fase se propagasen más rápido que c. Pero la onda en sí no había superado a c.

El otro experimento que también ha sido malinterpretado como “ir más rápido que la luz” corresponde a la superación de la velocidad de grupo. Es prácticamento lo mismo que la velocidad de fase, pero esta vez hablamos de la variación de la amplitud (Ver diagrama. El punto rojo es la velocidad de fase y los puntos verdes la de grupo) . Nuevamente el experimento había conseguido que, dentro de la onda, la variación de amplitud se propagase a velocidad superior a la de la luz, pero la onda en sí tampoco había superado a c

Parece que hagamos lo que hagamos, no se puede superar a c. Sin embargo, esto es un impedimento para los escritores de Ciencia Ficción, que necesitan de viajes espaciales a velocidades hiperlumínicas. Pero esto es tema para un próximo artículo.

Fuentes: http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1s_r%C3%A1pido_que_la_luz#Aparentemente_m.C3.A1s_r.C3.A1pido_que_la_luz
Nota: Todas las imágenes han sido obtenidas de wikicommons

31 comentarios en “La velocidad de la luz: ¿Una constante insuperable?”

  1. Un comentario sobre este párrafo:

    “Según la física clásica, deberían medir una velocidad de 1.8*C. Pues tampoco, Einstein demostró que las naves medirían una velocidad de 0.99*C , pero no C.”

    Einstein no demostró eso. Al contrario, él tomo como base de su teoría de la relatividad el supuesto de que la velocidad de la luz en el vacío es constante e igual a C_0. Manteniendo constante la velocidad de la luz Einstein demostró la “dilatación” de tiempo y espacio.

    La expresión de la velocidad de la luz C en un medio depende de dos constantes características del medio (mu y epsilon)… y dicha expresión se obtiene de las fórmulas de Maxwell.

  2. Hola, gracias por el mensaje, pero creo que me he expresado mal en ese párrafo.

    No me refiero a que desde una de las naves se midiera la velocidad de la luz como 0.99*C. Me refiero a que, desde cualquier de las naves, se mediría la velocidad de la otra nave como 0.99*C

    Saludos

  3. Buen artículo!

    He encontrado un pequeño error: los hipotéticos taquiones no tendrían masa NEGATIVA, sino IMAGINARIA.

    Un pequeño detalle en un buen artículo divulgativo 🙂

  4. Por favor, por convenio la velocidad de la luz, representada como c, se escribe en minúscula no en mayúscula. Si quieres tener un poco de rigor y coherencia, no escribas C.

  5. Hay un pequeño error. Donde escribe: “El principio de causalidad es, actualmente, (…)” debería sustituir “actualmente” por “en realidad”, “de hecho” o por algo por el estilo. (Parece que se trata del dichoso “actually”, que suele acechar “from lost to river” al castellanoparlante desprevenido)

  6. Sin embargo, si la velocidad de la luz es constante, que es lo que sucede al llegar un rayo de luz al llegar cerca de la atracción de un agujero negro ¿ y luego de ser absorbido por el ¿ Y cómo sería la masa resultante del experimento del acelerador de partículas ¿ Influiría en su aceleración el aumento de su masa ó podría tener otro tipo de condiciones físicas ¿

  7. Interesante articulo, pero con algunas inconsistencias producto de los malentendidos históricos, que veo aún plagan este nuestro mundo.

    La velocidad de la luz es una constante del Sistema Internacional de medidas. Así está definida desde los años 70 del siglo XX. No hay velocidad máxima de la luz ni nada por el estilo. Es c y listo, y es aproximadamente el valor que se medía con los antiguos patrones metro y segundo, cuando un rayo de luz en el vacío, recorría una gran distancia.

    Lo de la gran distancia es por varios motivos: en realidad la luz recorre todos los caminos posibles (Feinman) y si mides distancias muy pequeñas (con respecto a la energía de los fotones, o sea, su longitud de onda) quizás midas caminos que no son los más “lógicos” desde el punto de vista macroscópico: digamos que c es la velodicad de un rayo de luz que recorre un año-luz en un año (sin precisar mucho más).

    En cuanto al límite de velocidad de los tardiones (partículas más lentas que la luz) no tiene nada que ver con la masa: la masa de un cuerpo, cuando es material, es una cantidad que expresa el número de partículas materiales del objeto, sus relaciones energéticas internas, y su capacidad de, en un sistema de referencia propio, generar un potencial gravitatorio. La masa de un objeto no depende de su velocidad. Es su masa: el número de moles de partículas que tiene, expresada en kilogramos.

    Lo que sí ocurre es que, a medida que un cuerpo de masa m se acelera a velocidades mayores, la relación entre su velocidad y su momento lineal disminuye: esto es, para aumentar la velocidad de un objeto de masa m que vaya “rápido”, una cantidad dv, no basta con aplicar la cantidad de fuerza suficiente para producir esa aceleración, puesto que existe un término (de las ecuaciones de Lorentz) que es el famoso 1/raíz(1-Beta^2) donde beta es la velocidad medida con respecto a c.

    Como Newton era el rey (por aquel entonces) y F= dp/dt = mdv/dt y en Newton esto era = ma, se dijo, fale, esta m es la masa en reposo, y el término gamma·m es la masa en movimiento, que aumenta hasta el infinito cuando v->c… Pero en realidad ni es eso ni nada: el modelo newtoniano sólo es válido cuando v<<c (beta es casi 0) y sus definiciones no son extrapolables, al revés, el modelo Einsteniano se reduce al Newtoniano cuando se lleva al límite de beta ~ 0 (o sea, el modificador de p = gamma·mv se aproxima a 1).

    En cuantoa los taquines, hay alguna publicación muy interesante, de un italiano, pero no recuerdo el nombre: el problema no es la masa imaginaria del taquión, que no lo es: el imaginario aquí expresa una fase en las mediciones entre un sistema de referencia sublimínico y uno superlumínico: un electrón taquiónico es igual que los que tenemos aquí, pero está “al otro lado”; de la misma manera, para un observador superlumínico, su electrón es normal y el taquiónico es el nuestro. Es como dos universos paralelos, sólo que por ahora sólo sabemos de este: ¿cómo reconocemos una partícula más rápida que la luz pasando por nuestros sensores? Un electrón, que es básicamente un punto, sería un cono de revolución: eso es infinito y con un vértice (un reloj de arena de tamaño universal), ¿alguien sabe medir eso? Quizás no existan, pero en realidad algo de eso sí que hay, porque los fotones de interacción tienen quadrimomentos imaginarios: las interacciones electromagnéticas (el propio campo interactuando, no libre en forma de onda de luz) ocurren a velocidades muy superiores a c con fotones virtuales de “masa imaginaria” (entendida como la constante que expresa un cuadrado del momento de la partícula siendo negativo) que, sin embargo, es obvio que están ahí.

    Cuando se mezcla cuántica con relatividad (sobre todo la general) te das cuenta de los límites que tiene la última: sólo sirve para fuerzas muy debiluchas (gravitación) en distancias muy grandes y con partículas realmente enormes (de tamaño planetario o solar). En el momento que se entra en el rango cuántico, las cosas se tuercen mucho (de hecho, hablar de constantes en el mundo cuántico es un poco arriesgado, porque los valores que se obtienen dependen de la observación, y todas las mediciones simultáneas y precisas están prohibidas, así que tenemos constantes que tienen valores según las midas, como le pasa al pobre número “pi” o ni siquiera son constantes y sólo lo parecen, pero esto ya es filosofía).

    Por último, suponiendo un rayo de luz por el vacío más chachi que se pueda imaginar y otro por un medio menos vacío, la velocidad de fase es el reflejo de que, por mucho que queramos, los operadores de destrucción y construción de los fotones tardan en actuar, y en el medio en sí, cada vez que se absorbe un fotón, hay un tiempo de relajación antes de que la partícula lo reemita, tras el correspondiente estado excitado: esto hace que el rayo, de forma efectiva, vaya más despacio, porque es constantemente absorvido y reemitido: esto pasa incluso en el vacío, porque, en realidad, está lleno de pares virtuales, que también molestan. Además, incluso en el vacío, la luz va por todos los caminos posibles, y algunos son realmente retorcidos y largos: el promedio final sale “bajito”, sobre todo si queremos ir al sistema solar vecino de picnic. 😛

    Ánimo y gracias por difundir la ciencia, es una tarea importante.

  8. Bueno, quizas diga la barbaridad mas grande y espero que no lo tomeis como una burrada pero…
    si cogemos una ‘pizarra’ de… un año luz de largo que este lo bastante lejos. ahora cojo un laser desde aqui y dibujo una raya de lado a lado en solo 1 segundo… puedo decir que la raya ha superado la velocidad de la luz al dibujarse? lograria entrar en el guiness?
    la verdad que es una curiosidad que tengo.

  9. Quizás hubiese sido más fácil de explicar si hubieses enfocado el artículo desde otro punto de vista.

    Para Einstein, desde su planteamiento teórico, daba igual que c fuese la velocidad de la luz o no.
    Su teoría de la relatividad lo que hace es simplemente ampliar la de Galileo, añadiendole una segunda parte.
    O sea :
    1) Las leyes de la física son siempre iguales
    2) Existe una velocidad máxima, c, de propagación del efecto (de una causa)

    En principio, desde el punto de vista teórico, daba igual que c fuese la velocidad de la luz o no. Lo importante es que exista una velocidad máxima de propagación del efecto.

    El equiparar a c con la velocidad de la luz, resultó entre otras cosas del experimento de Michelson-Morley.

    Lo que quiero decir, es que no hay nada que impida velocidades mayores que c, siempre y cuando no estén propagando un efecto!!!

    Esto se sabe y se han conseguido desde prácticamente el momento de la publicación de la teoría.
    Pero evidentemente no se puede mandar un mensaje o viajar a velocidades superiores a la de la luz porque estarías propagando un efecto (mandas información o te mueves).

    Un ejemplo con algo más simple que la electrodinámica:

    Olas en el mar perpendiculares a la costa.
    Se pueden medir las crestas o los valles a una velocidad vo.
    Construye un malecón a 45 grados.
    La velocidad de las crestas en este malecón (vm)es claramente superior a la de las olas (vo).
    Sin embargo no podrías recibir una información a esta velocidad, ya que la de propagación es la de las olas.

    Para las ondas electromagnéticas es igual (bueno similar 🙂 ) como has explicado en la última parte del artículo.

    PD: Bueno, y no te olvides de la teoría general de la relatividad y los agujeros de gusano (wormholes, Einstein-Rosen bridges), que de alguna forma (no dentro de ellos claro) hacen que puedas moverte más rápido que la luz (si recorriese el camino “largo”). ;-)))

    Un saludo

  10. Soy vgr otra vez.
    Esta vez con una crítica fuerte.

    He tenido problemas para postear aquí, así que he analizado lo que pasó.

    Tienes un sistema para evitar spam, me parece muy bien.
    Lo que no me parece bien es que este sistema no lo tenga tu servidor, sino que venga de http://www.statcounter.com. Un sitio que pone cookies espias en los ordenadores de tus visitantes y que recibe? (puede recibir) sus nombres y direcciones de email.

    Yo tengo ese sitio bloquedao (firefox y addblock+) y por tanto no me dejaba postear.

    No se si lo sabías, por eso te lo dejo en este comentario.

  11. Pues yo creo que ni la velocidad de la luz ni el rayo son lo más rápido del universo, sino la diarrea.
    El otro dia estaba mal de la tripa, me dio un apretón cuando estaba durmiendo, me levanté como un rayo, encendí la luz y ya me habia cagado

  12. vgr. Respecto a tus dudas de privacidad:

    Tengo instalado wp-morph, un plugin de Diego Sevilla (http://neuromancer.inf.um.es/blog/?p=896) Básicamente genera un código aleatorio y lo guarda en un campo oculto y después, mediante javascript controla que el código esté presente.

    Me elimina el 99% del spam, aunque obliga a que el usuario que quiera comentar tenga javascript activo (lo que suele ser habitual en el 99% de los casos)

    Pero no guarda ninguno de los de datos. Es código libre, puedes comprobarlo aquí:
    http://plugins.trac.wordpress.org/browser/wp-morph/trunk/wp-morph.php

    De todas echaré un vistazo a ver que pasa con NoScript+AdBlock (no los uso), aunque el filtro antispam respeta totalmente la privacidad.

    Respecto al nombre y el email, ten en cuenta que el propio wordpress guarda eso en una BD.

    Y respecto a statcounter, he leído información al respecto y por lo que dicen, es totalmente “inocuo”

    De todas formas, en esto de la privacidad, cada uno decide que es y que no es tolerable. Desde el punto que para opinar en cualquier blog tienes que dar tu correo y, además, cualquier blog guardará tu ip.

    Saludos.

  13. Hay que puntualizar que c es la velocidad de la luz en un espacio inercial. En un espacio no inercial, por ejemplo en un espacio en expansión, la velocidad puede ser mayor que c. Esto ocurrió en las primeras etapas del universo (universo inflacionario), por ello, el radio del universo se estima en 75.000 millones de años luz, mientras que la edad del universo es de unos 15.000 millones, lo que da una velocidad promedio de expansión de 5c.

  14. Encuentro interesante el articulo, pero me gustaria saber como demuestran que la velocidad de la luz es constante sin importar el sistema dd referencia

  15. Yo tengo unas dudas sobre la velocidad de la luz. Veamos. Uno de los principios de la relatividad especial dice que la velocidad de la luz es invariante para todos los observadores inerciales.
    Pues me parece recordar que he leído en algún sitio que este enunciado correspondía a un enunciado “débil” del principio. Y el enunciado “fuerte” correspondería simplemente a decir que la velocidad de la luz es constante para todos los observadores. Con lo cual, se está incluyendo tanto a los observadores inerciales como
    los no inerciales. ¿Es cierto todo lo anterior? o por el contrario, en un marco de referencia acelerado la luz deja de propagarse a la velocidad c….
    Thanks.

  16. yo tengo una duda que me corroe como otros foreros de aqui,¿como se demuestra que la velocidad de la luz es independiente del observador? he leido que lo demostraba el experimento de mooray pero me parece erroneo porque toda la tierra incluido el aire es un mismo observador no tiene importancia que la c no varie en ese experimento.
    gracias.

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