CienciaNebulosa

El Universo está bien raro. Nuestras vidas cotidianas nos hacen permanecer ajenos a las extrañas formas en que funciona la realidad. Día a día vivimos en un planeta que no se encuentra ni tan frío, ni tan caliente; existimos con un tamaño (relativo a un átomo) ni tan pequeño, ni tan grande; nos movemos a velocidades ni tan lentas, ni tan rápidas. Por estos motivos, es como si nos encontráramos en una zona de confort de la que jamás salimos. Normalmente no tenemos ni una idea de lo que pasa cuando las cosas se mueven a velocidades extremas, o cuando están tan frías que rozan el cero absoluto de temperatura, o cuando son tan pequeñas como un protón. En sus límites físicos, el Universo muestra su verdadera naturaleza y nos deja en claro que todo lo que creíamos acerca de él hasta ahora, está mal.

Bro.

Seguramente has escuchado por ahí que la luz es lo más rápido que existe. Y en cierto sentido, eso es verdad. Pero existe algo mucho más profundo acerca de este límite físico de lo que normalmente nos cuentan. Para este artículo me saltaré algunos aspectos básicos que supondré que ya has escuchado bastante, para hablar específicamente de los aspectos que más me hacen debrayar sobre la velocidad de la luz. Si no estás muy familiarizado con lo que te contaré, no te preocupes, puedes leer algunos artículos que pondré al final. Entonces, por fines prácticos, me saltaré algunas explicaciones básicas y habrá que tomar como ciertas las afirmaciones que haré.

Pero recuerda, lo único de lo que no se debe dudar nunca es que todo debe ser puesto en duda. Si al terminar de leer este artículo sientes que algo no te convence, puedes mandar siempre cualquier duda a franciscosoto_v@hotmail.com para que intente responderla o puedes investigar por tu cuenta sobre el aspecto que no quede muy claro.

Ahora sí pues! ¿Qué pasa con la velocidad de la luz que la hace tan especial?

Antes que nada, el término “velocidad de la luz” suele usarse para todo lo que se mueva a esa velocidad. Lo cual está un poco mal desde mi punto de vista, pero ni modo, los físicos también son humanos y les da por usar más seguido los términos que se escuchan más cool.

Los gluones, responsables de la interacción nuclear fuerte, también

se deslpazan a la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz es de 300,000 km/s (trescientos mil kilómetros en un segundo aprox). A esa tremenda velocidad, Superman podría darle la vuelta al planeta Tierra por el ecuador 7 veces en un segundo.

No sólo la luz viaja a la “velocidad de la luz”. De hecho a partir de este momento me referiré a ella como velocidad c. Pues esta velocidad, aún más importante que ser la velocidad de la luz en el vacío, es la velocidad de la Causalidad. Es la velocidad máxima en que cualquier región del Universo puede afectar de cualquier manera a otra región (u objetos).

Cómo les he platicado en otros artículos (por ejemplo aquí y aquí), el espacio y el tiempo, según la Relatividad, son la misma cosa. Lo que nosotros sentimos como “el paso del tiempo” es en realidad nuestro paso a través de la cuarta dimensión del espacio (las primeras 3 dimensiones son los ejes x, y, z como te los enseñaron en la secu). Ahora bien, el espacio-tiempo de 4 dimensiones tiene propiedades intrínsecas que lo hacen bastante interesante. Para empezar, no es absoluto. Dependiendo del observador, el espacio y el tiempo se apreciarán de maneras diferentes. Además el espacio-tiempo se curva en presencia de la Masa (una propiedad que presenta toda la materia y energía). Dicha curvatura es una distorsión de las 4 dimensiones que nosotros interpretamos como la Gravedad (pero eso es otra historia).

El factor de Lorentz

Uno de los mayores logros de la humanidad  (más específicamente de Hendrik Lorentz) a mi parecer fue la deducción del Factor de Lorentz. Este numerito relaciona el tiempo y el espacio de manera que podemos calcular con simples y elegantes ecuaciones la forma en que se afecta nuestro entorno a medida en que viajamos a mayores y mayores velocidades.

Entre más rápido se viaja por el espacio, el tiempo pasa más lento. Este es un hecho más que comprobado por décadas de experimentos. Literalmente, los relojes avanzan más despacio para un objeto en movimiento.

El factor de Lorentz.

No sólo eso. Las longitudes de los objetos que viajan a grandes velocidades se ven reducidas en la dirección del movimiento. A estos fenómenos relativistas se les llama Dilatación temporal y Contracción de Lorentz. ¡Pero acuérdate que el tiempo y el espacio son la misma cosa! Así que ambos fenómenos deben ser caras diferentes de un mismo fenómeno.

La variable que modela el comportamiento de estos fenómenos en las ecuaciones de Einstein es el Factor de Lorentz y se comporta como una exponencial.

Esto quiere decir que a velocidades pequeñas (aún velocidades de cientos de miles de kilómetros por hora son pequeñas comparadas con la velocidad c) los efectos relativistas de contracción de Lorentz y la dilatación temporal no son apreciables. Sólo a partir de velocidades de más o menos el 80% de la velocidad c podríamos empezar a observar tan extraños efectos.

El tiempo que observaríamos en un reloj dentro de una nave espacial viajando a un 80% de la velocidad c, se vería cada vez más lento a medida en que sube la potencia de sus motores. Todo dentro de dicha nave nos parecería en cámara lenta (si la observamos “en reposo” desde la Tierra, con algún telescopio futurista). Tanto los movimientos de los astronautas, como las reacciones químicas o cualquier suceso que ocurriera dentro de la nave.

Además, todo nos parecería contraído en la dirección en que viaja la nave. Es decir, como achatado. Todo luciría irse comprimiendo más y más a medida en que se alcanza la velocidad c.

La contracción de las longitudes de Lorentz. A velocidades cercanas a c, las

longitudes de los objetos se contraen. La ecuación relaciona la longitud

aparente L1, con la longitud inicial L0, la velocidad relativa v y la velocidad de la luz c.

Pero el factor de Lorentz nos dice que una vez alcanzada la velocidad c, el tiempo se dilata infinitamente, así como las longitudes alcanzan un cero absoluto. Justo en el valor de la velocidad de la luz, nada puede experimentar el paso del tiempo, ni contar con una presencia en el espacio.

Einstein se dio cuenta de este debraye en la teoría, por lo que afirmó que nada que tuviera Masa podría alcanzar nunca el límite de la velocidad de la luz. Ni aún las partículas que carecen de masa (fotones, gluones) podrían viajar a través del espacio a una velocidad mayor que c. Estableciendo este límite físico para la velocidad entonces todo nuestro Universo cobra sentido. Cualquier partícula en el Universo puede intentar acercarse a la velocidad c tanto como quiera, pero nunca alcanzarla.

¿Qué pasa con la luz?

Las consecuencias de estos descubrimientos en nuestra forma de entender la luz son extremadamente geniales. Cuando fuimos capaces de medir la velocidad de la luz con experimentos súper precisos nos dimos cuenta que dicho valor coincidía con el valor teórico fijado como límite. Pero si nada puede viajar a la velocidad c, ¿por qué la luz si puede?

Pues porque las partículas de la luz no tienen Masa (hasta el día de hoy se piensa que no tienen masa, pero aún existe la posibilidad de que tengan una masa muy, muy, muy diminuta; menor que la de los neutrinos). La Masa no es otra cosa que una propiedad que impide a una partícula moverse a la velocidad de la luz. Esta Masa es adquirida por medio del mecanismo de Higgs en las partículas elementales, y por las interacciones nucleares fuertes en átomos. Ya hablaremos de la Masa en algún futuro artículo.

La única razón por la que El señor botones® no salga disparado a la

velocidad de la luz es por que tiene Masa. La masa es un impedimento al

movimiento. Si no hay Masa, no hay impedimento; así que la luz

viaja a la máxima velocidad, para cualquier observador.

Al no contar con masa, los fotones (partículas de luz) se mueven a la mayor velocidad posible. Pero recuerda que a esa velocidad, la longitud se vuelve cero. Quiere decir que desde el punto de vista de un fotón la distancia recorrida en su viaje por el espacio es 0. Además el tiempo no existe tampoco para la luz, ya que este es dilatado hasta el infinito debido a dicha velocidad.

Para una partícula de luz, el instante en el que sale despedida de una estrella y el instante en que entra en tus ojos, son el mismo instante.

Se ha comprobado tremenda cantidad de veces que el espacio-tiempo de verdad sigue las leyes de Einstein. Multitud de experimentos a lo largo de más de un siglo han confirmado los efectos relativistas. Cualquier objeto con Masa necesitaría una cantidad infinita de energía para alcanzar la velocidad c. Ni el Universo observable contiene energía infinita.

A mi no me engañas Han Solo. Es imposible que el Halcón milenario haya

hecho la carrera Kessel en menos de doce pársecs a la velocidad luz.

El hecho de que cualquier partícula intentara superar la velocidad de la luz supone el uso de una energía “mayor que infinita” lo cual es una completa churrada. La simple idea carece de sentido.

Ahora ya lo sabes. La velocidad de la luz, no tiene nada que ver con la luz. Bueno si, pero no mucho. Es más bien el límite en que el tejido espacio-temporal puede llegar a contraerse o dilatarse. A nosotros, que estamos inmersos en el Universo, dicho límite nos parece de 300,000 km/s. Pero nadie nos asegura que este límite físico haya sido siempre el mismo. Probablemente las características del espacio-tiempo fueran diferentes en los inicios del Universo, dando como consecuencia una velocidad de la luz diferente a la que actualmente calculamos y medimos. Esta suposición es actualmente considerada como posibilidad real en algunas teorías que tratan de explicar algunos de las grandes incógnitas en cosmología. Pero aún falta comprobar esta idea.

Referencias:

https://es.wikipedia.org/wiki/Transformaci%C3%B3n_de_Lorentz

https://es.wikipedia.org/wiki/Factor_de_Lorentz

https://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_de_la_luz

https://es.wikipedia.org/wiki/Causalidad_%28f%C3%ADsica%29

https://www.youtube.com/watch?v=msVuCEs8Ydo - PBS spacetime / the speed of light is not about light

Stephen Hawking - The theory of everything