¿Más veloz que la luz?

¿Más veloz que la luz?

Aparente velocidad superior a la de la luz

En el año 1905, Einstein publicó teoría especial de la relatividad. Entre otras cosas, postulaba la velocidad de la luz c como el límite superior absoluto de todo movimiento:

c = 299 792 458 [m/s]

Pero así como es el asunto con los límites, está en la naturaleza humana tratar de vencer la. De este modo hasta ahora se han postulado muchas teorías y realizado experimentos, para probar la validez de las afirmaciones de Einstein. El impulso de este curioseo seguramente es el conocimiento del hombre, que para los futuros viajes hacia las estrellas se necesitan velocidades muy altas. Porque a pesar del enorme éxito de la astronomía y cosmología en los últimos cien años, no podernos “descansar en los laureles”, si es que queremos descubrir los aún muchos enigmas del universo. Para nombrar sólo un ejemplo de las muchas incógnitas, nos sirve aquí la Materia Oscura. Desde la Tierra no la podemos analizar, ya que no revela ninguna información. No hablar de la misteriosa energía oscura. Por lo tanto debemos “salir”. ¡Veamos si es posible engañar a Einstein!

Existe un método simple mover algo, más rápido que la luz. Párese durante un atardecer, en medio de la naturaleza, y espera que aparezca la Luna. Ahora gire dándose una vuelta completa. Esto no debería durar más de 2 segundos. Entonces la Luna que está a una distancia de aprox. 395.000 [Km], giraría alrededor de su cabeza a una velocidad de unos 1,2 mil millones de [Km/s], esto es más que 4 veces la velocidad de la luz

¿Qué está mal aquí? Naturalmente la Luna no gira alrededor de nuestra cabeza. No podemos compara nuestra velocidad de rotación con la velocidad de la Luna, ya que nos encontramos en lugares diferentes. La Luna se encuentra en otro ambiente, en otro sistema de referencia y ahí no se mueve a varias veces la velocidad de la luz.

Hagamos otro experimento con la Luna. Disponemos de un apuntador laser, que lo tenemos en nuestra mano y lo dirigimos hacia la Luna. Ahora movemos el rayo laser rápidamente de un lado de la Luna hacia el otro lado. Si el rayo de luz sales, digamos de unos 10 [cm] de distancia de nuestra mano y hacemos un movimiento, por ejemplo, de izquierda a derecha, de 2 [cm] en 1/10 [s], entonces el rayo laser aún, recorre la superficie de la Luna a una velocidad de 2,5 veces la velocidad de la Luz.

¡También esto es un burdo intento de tratar de engañar a Einstein! Desde nuestro apuntador laser sale un fotón tras de otro y cada uno a la velocidad de la luz. Sólo los lugares donde chocan en la Luna, aparentemente se mueven a una velocidad mayor de la luz, sobre la superficie de la Luna. Esto tampoco está prohibido, ya que no se trata de un movimiento real.

El efecto túnel

La sensación fue perfecta, cuando en el año 1993, el profesor Günter Nimtz de la Universidad de Colonia, en un ensayo transmitió una información a una velocidad 4,7 veces mayor que la velocidad de la luz.

Para esto usó un conductor hueco, un tobo metálico cuadrado, por el cuña condujo micro ondas, en el centro se encontraba una estrangulación

Para su propagación, todas las microondas necesitan, como todas las ondas electromagnéticas, un determinado espacio mínimo. La parte media, sin embargo, se ha calculado de tal manera, que a decir verdad no podía pasar ninguna onda Nimtz comparó la señal, que a pesar de todo igualmente salió del conductor ahuecado con una señal de referencia exterior y así determinó 4,7 veces la velocidad de la luz. Posteriormente, él sobrecargó las microondas con la sinfonía número 40 de Mozart y la transmitió por el conductor ahuecado.

¿Qué sucedió aquí? Si se hace rodar a un apelota con una velocidad insuficiente cuesta arriba, entonces sólo llega hasta cierta altura y luego regresa. Partículas del mundo cuántico, por ejemplo fotones, pueden, a pesar de una velocidad demasiada reducida (mejor dicho: Con insuficiente energía, ya que los fotones siempre tienen la misma velocidad c) para llegar al otro lado del montículo (la barrera), pasando simplemente como por un túnel. A este efecto se le llama efecto de túnel. Y justamente en esto se basa el experimento arriba mencionado. Algunas partículas de las ondas, atraviesan la parte media del conductor hueco, como por un túnel, a una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Lo que realmente sucede en el túnel y a qué velocidad pasan se nos escapa a nuestra vista y a nuestros conocimientos. Sólo una cosa parece ser cierta: Para las partículas no existe el tiempo dentro del túnel.

Ahora se presenta pregunta, si se puede usar este efecto parar transmitir informaciones, para acelerar las radio comunicaciones con futuras naves espaciales. Pero desgraciadamente esto no es posible, ya que no es posible determinar, cuál de las partículas es la que pasa por el túnel y cuantos lo logran. La cantidad de las partículas que atraviesan el túnel disminuye al cuadrado con la duplicación del largo del túnel (a esto se le llama amortiguación). Por esta razón, la sinfonía N° 40 de Mozart se transformó a la salida del túnel en un ruido ininteligible. Para la transmisión de informaciones, en el ámbito macroscópico, este sistema no sirve, especialmente, porque habría que amplificar en forma extrema las señales pasados por el túnel, que nuevamente estaría unida a una pérdida de tiempo. Al nivel microscópico, el efecto de túnel encuentra una aplicación, como por ejemplo, en el diodo de túnel o el microscopio electrónico de barrido.

En esta parte nos desviaremos un poco hacia el Sol: ¡Sin el efecto túnel este no brillaría! La energía en forma de luz visible, calor o rayos UV, lo obtiene de la fusión nuclear de dos átomos de Hidrógeno (protones). Con las temperaturas que reinan en el interior del Sol, las fuerzas elé4ctricas de rechazo de los protones con carga positiva es tan grande, que en realidad no podría producirse la fusión nuclear. La carga homónima, representa una barrera para el protón individual, que no puede sobrepasar. Pero de vez en cuando se produce el tunelado y la fusión se produce. Sólo en base a este efecto cuántico, relativamente raro, brilla nuestro Sol, como también todas las demás estrellas.

Einstein y la velocidad

Pero de regreso a la pregunta, si son posible los viajes en el cosmos a la velocidad de la luz o velocidades mayores. No podemos evitar de ocuparnos un poco con las teorías de Einstein, para poder llegar a una respuesta.

Imaginémonos que somos capaces de hacer volar un cohete, por el espacio con una velocidad de w = 250 000 [Km/s]. Ahora usamos a este cohete como una plataforma para un segundo cohete, que igualmente vuela a una velocidad de w = 250 000 [Km/s] en la misma dirección. Este tendría, de acuerdo a un simple cálculo, desde nuestro punto de vista, como observador en reposo en la Tierra, una velocidad propia de 500 000[Km/s] y con esto sería más veloz que cualquier protón.

v = u + w

v = 250 000 + 250 000 = 500 000 [Km/s]

¿Es correcto esto? Este método de cálculo, es aproximadamente correcto, a velocidades bajas, como sucede en nuestro diario vivir. Pero en ámbitos relativos hay que recurrir a las soluciones de Einstein, porque se observan sistemas de referencia que se mueven a distintas velocidades y hay que aplicar la siguiente ecuación:

Donde c representa a la velocidad de la luz unos 300 000 [Km/s]

Como resultado obtenemos ahora v = 295 082 [Km/s] un valor por debajo de la velocidad de la luz. Como se ve este truco tan genial tampoco nos sirvió de nada, para viajar más rápido que la luz por el espacio

¿Quizás la nave espacial, por lo menos en si viaje de regreso hacia la Tierra con la arriba mencionada velocidad de w podría enviar un informe radial? Las ondas radiales también se expanden a la velocidad c y llegar donde nosotros con una velocidad de w + c = 550 000 [km/s]. Ahora sabemos que no se puede calcular así, por esto usaremos nuevamente las ecuaciones de Einstein

¡La señal radial llega donde nosotros exactamente a la velocidad de la luz! Y esto vale para todos los observadores, independientemente si se encuentran en un sistema de referencia en reposo o en movimiento, si la fuente de luz está en reposo o en movimiento. La luz siempre se expande a la misma velocidad c observada.

Como parece ser ahora, no tenemos ninguna chance de viajar más rápido que la luz, y tampoco a la velocidad exacta de la luz. Tampoco es posible enviar informaciones en forma más rápida. Pero quizás en el futuro puedan haber motores que nos permitan viajar al 99,9999…% de la velocidad de la luz. Partimos en una expedición hacia la galaxia de Andrómeda, que se encuentra a una distancia de 2,5 millones de años luz.

Aquí nos viene a bien la dilatación del tiempo de Einstein, ya que hace que los relojes sean mucho más lentos como aquellos en la Tierra. Si según esto eventualmente regresemos después de unos 30 años, para presentar orgullosos nuestros resultados, desgraciadamente ya nadie nos conoce. Sólo en un libro muy antiguo aparece una corta referencia, que algunos tipos locos que mediante una nave espacial se metieron en una aventura hace 5 millones de años, y que nunca más se supo de ellos…

Con este ejemplo, se ve, que incluso con ciertos medios técnicos, viajes a grandes velocidades no tienen sentido, ya que no se pueden compartir, sus conocimientos con otros. Y destinos lejanos están totalmente fuera de nuestros alcances, debido a que el tiempo de vida del humano es demasiado limitado.

Einstein y la masa

Con viajes rápidos, a velocidades relativistas, existe otro problema. Toda la energía que se usa para la aceleración es almacenada como energía cinética y finalmente produce un aumento de la masa* del cohete, todos conocen la famosa ecuación, que describe la equivalencia entre energía y masa

E = mcˆ2

La pequeña modesta m en esta fórmula hay que mirarla más de cerca. Si sólo describiría la masa en reposo m₀, entonces esto sería inofensivo, pero m describa la masa total del un sistema en movimiento y por lo tanto contiene un factor adicional de la relativista Gamma γ

E = γm₀c²

También este desagradable factor gamma, nos impide alcanzar jamás la velocidad de la luz.

En el diagrama de arriba, se ve como aumenta la masa con el incremento de la velocidad. Al comienzo todo se desarrolla en forma normal, la energía aplicada es transformada en su mayoría en aceleración, pero a partir de aproximadamente un 90% de la velocidad de la luz, la energía aplicada se manifiesta cada vez más como masa (curva roja), la curva se empina cada vez más, mientras más se acerca a c. A la velocidad exacta de la luz la masa aparente de nuestro cohete es infinitamente grande (No representado en el diagrama) y para esto tendríamos que aplicar una cantidad infinita de energía. Que esto no funciona, nos queda claro de inmediato. Esto es una de las razones principales, porque un cuerpo dotado de masa nunca podrá volar a la velocidad de la luz, ni siquiera un electrón individual.

*El aumento de la masa del cohete no se debería tomar en forma tan literal. En la realidad la masa simplemente no puede seguir creciendo, más bien la energía de tracción es almacenada en el sistema como energía cinética. Si un automóvil corre a 150 [km/h], tampoco se hace más “pesado”. Pero si un poste la da fin a su carrera, se libera de golpe y en forma muy visible la energía cinética acumulada, y es transformada en energía de deformación y energía calórica. La fórmula de Einstein simplemente dice que la energía cinética acumulada también se puede expresar como masa.

Lo que queda

¿Qué otra cosa se puede hacer, para conquistar el espacio? Se podría, por ejemplo, lanzarse temerariamente dentro de un hoyo negro, y fiarse que esté comunicado con otro lugar en el cosmos, mediante una especie de túnel. Pero a más tardar al entrar en el horizonte de sucesos, nuestra confianza sufre una fuerte decepción, porque somos desgarrados por las mareas y somos acelerados a la velocidad de la luz (Esto es posible ya que aquí no existe el espacio-tiempo, familiar para nosotros). Aún queda la posibilidad de crear un hoyo de gusanos artificial. Pero para esto nos falta la materia exótica con efecto anti gravitacional, respectivamente, energía negativa, que sería necesaria para esto. Quizás se reserve esto para las generaciones humanas de un futuro lejano, encontrar una solución o incluso un sistema de tracción Warp. Pero sin embargo tendrán que resolver un problema más grande aún, que aquel aquí descrito, la causalidad

Causalidad

Bajo causalidad se entiende, que en la naturaleza no puede existir ningún efecto sin causa. Si usted siente un repentino dolor en una pierna, pueda que le haya mordido un perro, o usted tiene una trombosis. En todo caso el dolor tiene una causa. También la explosión de una supernova tiene una causa, en el interior de la estrella se terminó la fusión nuclear y por esto colapsa el centro.

Pero si nos podríamos mover a una velocidad mayor que la de la luz, entonces también podríamos movernos en el tiempo, lo que causaría paradojas insolubles. En el siguiente ejemplo vamos a suponer que nos podemos mover a cualquier velocidad.

Usted es un malvado y quiere cometer un asesinato en Nueva York a las 9 horas. A la policía usted le puede demostrar que a esta hora usted se encontraba en su oficina en Berlín. No se le puede acusar de nada, ya que esta situación corresponde a la causalidad.

¡Pero usted se puede mover más rápido que la luz! De manera que usted vuela a Nueva York, y comete el asesinato a las 9 horas y está de regreso en su oficina antes de que se cometa el asesinato. Peor aún, como usted está muy apurado, usa un arma que dispara más rápido que la luz. Esto significa que su víctima ya está muerta antes de que usted jale del gatillo. Con esto la causalidad está gravemente afectada. Usted está tranquilamente en su oficina en Berlín, y en Nueva York alguien cae muerto aún antes de que se efectúa el disparo. Esta ya es suficientemente confuso, pero esta historia se puede exagerar un poco más:

Supongamos que la víctima, está al tanto de la tecnología de la súper velocidad. Mientras muere le manda rápidamente un mensaje a su amiga con la descripción de usted con la indicación, donde y cuando usted realizara el asesinato. La historia se ve entonces de la siguiente manera. Usted vuela a Nueva York y allí una mujer le pega a usted con un garrote en la cabeza. ¿Pero por qué? Ella no tiene ninguna razón para hacerlo, ya que usted aún no ha cometido ningún asesinato. Y con esto, la víctima tampoco no tenía ningún motivo para avisarle a su amiga. ¡Que es lo que quería la amiga allí, y porque usted está tirado inconsciente en Nueva York, en vez de está trabajando en su oficina?

Es fácil ver aquí las paradojas de esta situación, se cometen mochas contravenciones a la causalidad. Se podrían originas sucesos que se impiden entre ellos. Pero aún cuando las leyes de Einstein y la causalidad, básicamente excluyen la posibilidad de velocidades mayores que la de la luz, esto no necesariamente quiere decir que quizás en un futura lejano se puedan realizar viajes a altas velocidades hacia estrellas lejanas. Las futuras generaciones, para esto tendrán que resolver algunos difíciles problemas.

Taquiones

Taquiones (“partículas rápidas”) fueron mencionados por primera vez en 1967 por el físico Gary Feinberg en los Phisical Reviews. Él señaló, que partículas a velocidades súper lumínicas, básicamente no se contradicen con la teoría de la relatividad.

En general se pueden clasificar a todas las partículas en los tres siguiente grupos:

· Luxones, son partículas que sólo se mueven a la velocidad de la luz. O sea, partículas sin masa en reposo como fotones o gravitones.

· Tardiones, aquí se encuentran todas las partículas que se mueven a menos de la velocidad de la luz. Entre ellos se encuentran todas las partículas con masa como los electrones, protones, etc.

· Taquiones, partículas con velocidades súper lumínicas.

Los Taquiones solo podrían existir más allá de las limitaciones impuestas por Einstein. Siempre son más rápidos que la luz, nunca podrían pasar por debajo de este límite, al igual que los fotones que no son capaces de sobrepasar este límite. Este mundo no nos es accesible, se encuentra fura de las líneas del mundo. Sin embargo en un mundo así podríamos movernos a velocidades más altas que la de la luz. De hecho, el precio de entrada sería alto: Se tendría una energía o masa imaginaria. El concepto imaginario proviene de las matemáticas:

Si se saca la raíz cuadrada de un número, normalmente se obtiene una cifra que multiplicada por si misma vuelve a dar el número original. Pero esto no funciona, por ejemplo, con la raíz cuadrada de -1. Ya que el cuadrado de -1 da +1. La raíz cuadrada de -1 es un número imaginario. Si entonces se eleva al cuadrado la masa en reposo de un taquión, se obtienen un número negativo.

Mientras más rápido se mueven los Taquiones, tanto más disminuye su energía, para llegar a cero a una velocidad infinita. Los Taquiones no son compatibles con la causalidad, como lo hemos visto en nuestro cuento del asesinato. Se movería desde el futuro hacia el pasado, su tiempo sería regresivo. Partículas como estas son netamente hipotéticas, y no existe la más mínima evidencia, para tomar en serio su existencia. Por esto también se excluyen como “sistema de tracción” para futuras naves espaciales. Ahora ya no tenemos ninguna posibilidad más, para ser más veloces que la Luz…

Última revisión: 22 de marzo de 2006

Traducido del alemán por aagb: Marzo 2010. Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer Universum,