Cuántas veces hemos pensado: “Si solo pudiera ir a la velocidad de la luz”. ¡Qué fácil sería todo! Esta forma de pensar proviene del hecho de que, al encender una bombilla, tendemos a creer que la luz se propaga instantáneamente. En cambio, hace falta un tiempo y un espacio para que la luz llegue a su destino.
Eso sí, la velocidad de la luz es enorme en comparación con nuestras medidas terrestres. Pero si nos alejamos de la Tierra y nos dirigimos hacia los espacios profundos del cosmos, la situación cambia drásticamente. Viajando a la velocidad de la luz necesitaríamos ocho minutos para llegar al Sol. Más de 300 años para alcanzar la Estrella Polar, más de dos millones para llegar a la galaxia más cercana, la de Andrómeda. Finalmente, se necesitarían algunos miles de millones de años para acercarse a los cuásares más distantes.
Los humanos llevan milenios intentando medir la velocidad de la luz, pero los primeros intentos concretos se remontan a tiempos más modernos.
Índice
- Primeros experimentos para saber cuál es la velocidad de la luz
- La física moderna
- La llegada de Einstein
- Un límite insuperable
- ¿Se puede superar la velocidad de la luz?
primeros experimentos para saber cuál es la velocidad de la luz
El primer experimento para saber cuál es la velocidad de la luz fue propuesto por Galileo Galilei, en la Italia del siglo XVI. Su proyecto preveía la ayuda de uno de sus alumnos y dos linternas. El científico y su discípulo se colocaron en dos colinas, a una distancia de aproximadamente dos kilómetros, con las dos linternas tapadas. Cuando Galileo descubría su linterna, el alumno debía haber hecho lo mismo. De esta forma esperaban medir el tiempo transcurrido entre el encendido de la linterna y la aparición de la luz y, en consecuencia, su velocidad. El intento no produjo los resultados deseados. Ahora ya sabemos que los tiempos de reacción de los observadores son mucho mayores que el tiempo que necesita la luz para viajar entre dos personas.
Las primeras mediciones de la velocidad de la luz fueron llevadas a cabo por Olaf Roemer en 1676, observando los satélites de Júpiter. Roemer vio que el movimiento de Yo, la más interna de las lunas de Júpiter, no se repetía regularmente. En cambio, se apreciaba una variación en el período de sus eclipses. Después de seis meses de observación, el científico calculó un retraso total de unos 20 minutos. Este valor es aproximadamente el tiempo que tarda la luz en cruzar la órbita de la Tierra. Dado que Roemer contaba con un valor bastante inexacto del diámetro de la órbita terreste, su resultado fue: c= D/T= 214.300 km/s. Siendo D el diámetro medio de la órbita de la Tierra y T el tiempo necesario para que la luz cruce la órbita de un extremo al otro.
La física moderna
Posteriormente, dos grandes físicos franceses lograron importantes avances: Hyppolite Fizeau y Leon Foucault. El primero, en 1849, ideó un experimento capaz de determinar cuál es la velocidad de la luz con observaciones realizadas a distancias terrestres. Aprovechó dos espejos separados por ocho kilómetros y una rueda dentada. El segundo, no muchos años después, pudo medir la velocidad de la luz incluso dentro de las paredes de un laboratorio, utilizando un espejo giratorio. Estos experimentos establecieron que la luz se propaga en el vacío a una velocidad de unos 300.000 km/s.
En la segunda mitad del siglo XIX, los físicos se dedicaron al estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos. En este contexto, James Clerk Maxwell logró desarrollar una teoría matemática capaz de unificar los dos fenómenos a través de cuatro ecuaciones. De las ecuaciones de Maxwell se deriva la predicción teórica de la existencia de ondas electromagnéticas. El cálculo de la velocidad de estas ondas llevó a entender que esta velocidad coincide con la de la luz. Así quedó establecido que la luz es un fenómeno ondulatorio.
Sin embargo, a principios del siglo XVII, se propusieron dos modelos diferentes para explicar la naturaleza de la luz. Uno corpuscular, apoyado por Newton, y otro ondulatorio, defendido por Young y Fresnel. En ambos casos, era necesario introducir un medio por el cual las ondas pudieran propagarse: el éter. Este medio material hipotético, en esencia, sirvió para reconciliar la teoría del electromagnetismo de Maxwell con la relatividad galileana. Debía tener algunas propiedades particulares para justificar el hecho de que no se pudiese revelar: densidad cero y transparencia perfecta. Por lo tanto, se asumió que el éter llenaba todo el espacio y representaba el medio con respecto al cual la luz tiene una velocidad de 300.000 km/s.
La llegada de Einstein
En 1887, Michelson y Morely idearon un experimento que consistía en calcular la velocidad de la luz en un sistema en movimiento (la Tierra) con respecto a este ‘medio invisible’. Sin embargo, su experiencia no solo demostró la inexistencia del éter, sino que puso en crisis la relatividad galileana. Descubrieron que la luz siempre se propagaba a la misma velocidad, independientemente del observador. Siguiendo los resultados del experimento de Michelson y Morely, Albert Einstein, en 1905, publicó la teoría de la ‘Relatividad Especial’. El físico alemán no solo logró proporcionar una explicación teórica, sino que amplió lo que Galileo había introducido, a través de una interpretación completamente nueva de los fenómenos.
Los postulados en los que se basa la teoría de la relatividad especial son los siguientes:
- Las leyes de la física tienen la misma forma en todos los sistemas de referencia inerciales.
- La luz tiene una velocidad finita que es siempre la misma en todos los sistemas de referencia inerciales (principio de constancia de la velocidad de la luz).
Una de las principales consecuencias del segundo postulado es la renuncia al concepto de tiempo absoluto, idéntico para todos los posibles observadores del universo. Esta renuncia implica la pérdida del concepto de simultaneidad. Dos eventos que son simultáneos en un sistema de referencia (para un observador) pueden no serlo en otro.
Las consecuencias son considerables. Con velocidades relativistas, es decir, comparables a las de la luz, se produce una expansión del tiempo, una contracción de las longitudes y un aumento de la masa de los objetos. Muchos recordarán ahora la película ‘Interstellar’ de Christopher Nolan. Bien, imaginemos que nosotros también podamos subir a bordo de una nave espacial y alejarnos de un reloj que marca una hora precisa.
Un límite insuperable
Las manecillas del reloj se mueven más lentamente cuanto más nos acercamos a la velocidad de la luz. Una vez alcanzada, veríamos que las manecillas se detienen, hasta marcar siempre la misma hora. Si, por el contrario, pudiéramos viajar a una velocidad superior a la de la luz, veríamos las manecillas correr hacia atrás, terminando por ser transportados al pasado.
La hipótesis de viajar al pasado sugiere que es imposible superar la velocidad de la luz. De hecho, si esto fuera posible, el principio de causalidad, según el cual el efecto nunca puede preceder a la causa, desaparecería. Además, a velocidades cercanas a la de la luz, observaríamos que las longitudes de una regla hipotética se acortarían cada vez más, hasta llegar a cero al alcanzar los 300.000 km/s. Por contra, si pudiéramos viajar más rápido, el valor que mediríamos sería imaginario. La interpretación física de este último resultado confirma una vez más que la velocidad de la luz es una velocidad límite.
Para explicar lo que ocurre con las masas es necesario introducir la famosa fórmula de la relatividad especial, que establece la equivalencia material entre masa (m) y energía (E), es decir: E = mc2. Si un cuerpo absorbe una cantidad de energía E, su masa aumenta en la cantidad E/c2. Por el contrario, la masa del cuerpo disminuye si pierde energía, por ejemplo, al emitir luz.
En particular, si el cuerpo, dotado de una determinada masa, intenta alcanzar la velocidad de la luz, la energía suministrada para acelerarlo se convertirá en materia. Aumentará así su masa hasta alcanzar un valor enorme y por tanto la imposibilidad de acelerar. El último caso aclara cómo es imposible que un cuerpo dotado de masa alcance o supere la velocidad de la luz.
¿Se puede superar la velocidad de la luz?
Aunque en las leyes del universo está escrito que nada viaja más rápido que la luz, hay algunas teorías que dejan abierta esa puerta. Según la teoría cuántica, cuando dos electrones aparecen en el mismo instante, pueden vibrar al unísono. Surge una correlación entre los dos que permanece incluso si los separamos. Einstein estaba convencido de que la mecánica cuántica estaba equivocada, porque este fenómeno implica que los electrones ‘conozcan’ el estado del otro instantáneamente, de un modo más rápido que la luz.
Como hemos visto, los objetos no pueden superar la velocidad de la luz. Si la materia se acelera hasta el límite de velocidad, su masa se vuelve infinita y, por lo tanto, no puede acelerar más. Sin embargo, algunas galaxias, hechas de materia, se están alejando de nosotros a velocidades superiores a la velocidad de la luz. ¿Cuál es el truco? Pues, no son las galaxias las que se mueven, sino el propio espacio-tiempo que, expandiéndose, arrastra a las galaxias con él.
Utilizando el principio de no moverse en el espacio, sino de mover el espacio a nuestro alrededor, se han imaginado dispositivos capaces de comprimir el espacio frente a nosotros (atraernos) y expandir el espacio detrás de nosotros (empujarnos). Un río de espacio-tiempo para surfear. Sin embargo, si es posible comprimir el espacio gracias a la materia ordinaria, para expandirlo necesitamos materia con masa negativa, y nadie sabe si tal materia existe realmente. Por tanto, esta es la triste pero inevitable conclusión: hasta que estas y otras preguntas no sean respondidas, los viajes interestelares permanecerán en el reino de la ciencia ficción.
En Nobbot | ¿Qué es el condensado de Bose-Einstein, el quinto estado de la materia?
Imágenes | Melmak/Pixbay (portada), Needpix, Wikimedia/Alessandro Nassiri per Museo scienza e tecnologia Milano, ParentRap/Pixbay
