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
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
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
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: https://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)
No se puede ir más rápido que la velocidad de 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”.
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:
https://es.wikipedia.org/wiki/Fotón
https://es.wikipedia.org/wiki/Taquión
https://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_luz
Errores comunes sobre la velocidad de la luz
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. (Que puedes leer en: Viajando más rápido que la luz)
Nota: Todas las imágenes han sido obtenidas de wikicommons
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