Un hecho comúnmente conocido en física es que no puedes moverte más rápido que la velocidad de la luz. Si bien eso es básicamente cierto, también es una simplificación excesiva. Según la teoría de la relatividad, en realidad hay tres formas en que los objetos pueden moverse:
- A la velocidad de la luz
- Más lento que la velocidad de la luz
- Más rápido que la velocidad de la luz
Moviéndose a la velocidad de la luz
Una de las ideas clave que utilizó Albert Einstein para desarrollar su teoría de la relatividad fue que la luz en el vacío siempre se mueve a la misma velocidad. Por tanto, las partículas de luz, o fotones, se mueven a la velocidad de la luz. Ésta es la única velocidad a la que pueden moverse los fotones.
Nunca pueden acelerar o desacelerar. ( Nota: los fotones cambian de velocidad cuando atraviesan diferentes materiales. Así es como ocurre la refracción, pero es la velocidad absoluta del fotón en el vacío la que no puede cambiar). De hecho, todos los bosones se mueven a la velocidad de la luz, hasta ahora como podemos decir.
Más lento que la velocidad de la luz
El siguiente grupo importante de partículas (hasta donde sabemos, todas las que no son bosones) se mueve más lento que la velocidad de la luz. La relatividad nos dice que es físicamente imposible acelerar estas partículas lo suficientemente rápido como para alcanzar la velocidad de la luz. ¿Por qué es esto? En realidad, equivale a algunos conceptos matemáticos básicos.
Dado que estos objetos contienen masa, la relatividad nos dice que la ecuación de energía cinética del objeto, basada en su velocidad, está determinada por la ecuación:
E k = metro 0 ( γ – 1) c 2
E k = m 0 c 2 / raíz cuadrada de (1 – v 2 / c 2 ) – m 0 c 2
Están sucediendo muchas cosas en la ecuación anterior, así que analicemos esas variables:
- γ es el factor de Lorentz, que es un factor de escala que aparece repetidamente en la relatividad. Indica el cambio en diferentes cantidades, como masa, longitud y tiempo, cuando los objetos se mueven. Dado que γ = 1 / / raíz cuadrada de (1 – v 2 / c 2 ), esto es lo que causa el aspecto diferente de las dos ecuaciones que se muestran.
- m 0 es la masa en reposo del objeto, obtenida cuando tiene una velocidad de 0 en un marco de referencia dado.
- c es la velocidad de la luz en el espacio libre.
- v es la velocidad a la que se mueve el objeto. Los efectos relativistas solo son notablemente significativos para valores muy altos de v , razón por la cual estos efectos podrían ignorarse mucho antes de que apareciera Einstein.
Observe el denominador que contiene la variable v (para la velocidad ). A medida que la velocidad se acerca más y más a la velocidad de la luz ( c ), ese término v 2 / c 2 se acercará más y más a 1 … lo que significa que el valor del denominador («la raíz cuadrada de 1 – v 2 / c 2 «) se acercará cada vez más a 0.
A medida que el denominador se hace más pequeño, la energía en sí se hace más y más grande, acercándose al infinito . Por lo tanto, cuando intenta acelerar una partícula casi a la velocidad de la luz, se necesita cada vez más energía para hacerlo. En realidad, acelerar a la velocidad de la luz en sí mismo requeriría una cantidad infinita de energía, lo cual es imposible.
Según este razonamiento, ninguna partícula que se mueva más lento que la velocidad de la luz puede alcanzar la velocidad de la luz (o, por extensión, ir más rápido que la velocidad de la luz).
Más rápido que la velocidad de la luz
Entonces, ¿qué pasa si tuviéramos una partícula que se mueve más rápido que la velocidad de la luz? ¿Es eso siquiera posible?
Estrictamente hablando, es posible. Tales partículas, llamadas taquiones, han aparecido en algunos modelos teóricos, pero casi siempre terminan siendo removidas porque representan una inestabilidad fundamental en el modelo. Hasta la fecha, no tenemos evidencia experimental que indique que los taquiones existen.
Si existiera un taquión, siempre se movería más rápido que la velocidad de la luz. Usando el mismo razonamiento que en el caso de las partículas más lentas que la luz, puede probar que se necesitaría una cantidad infinita de energía para reducir la velocidad de un taquión a la velocidad de la luz.
La diferencia es que, en este caso, el término v es ligeramente mayor que uno, lo que significa que el número en la raíz cuadrada es negativo. Esto da como resultado un número imaginario, y ni siquiera está conceptualmente claro qué significaría realmente tener una energía imaginaria. (No, esto no es energía oscura ).
Más rápido que la luz lenta
Como mencioné anteriormente, cuando la luz pasa del vacío a otro material, se ralentiza. Es posible que una partícula cargada, como un electrón, pueda entrar en un material con la fuerza suficiente para moverse más rápido que la luz dentro de ese material. (La velocidad de la luz dentro de un material dado se llama velocidad de fase de la luz en ese medio). En este caso, la partícula cargada emite una forma de radiación electromagnética que se llama radiación de Cherenkov.
La excepción confirmada
Hay una forma de evitar la restricción de la velocidad de la luz. Esta restricción solo se aplica a los objetos que se mueven a través del espacio-tiempo, pero es posible que el propio espacio-tiempo se expanda a un ritmo tal que los objetos dentro de él se separen más rápido que la velocidad de la luz.
Como ejemplo imperfecto, piense en dos balsas que flotan río abajo a una velocidad constante. El río se bifurca en dos ramas, con una balsa flotando por cada una de las ramas. Aunque las balsas mismas se mueven siempre a la misma velocidad, se mueven más rápido entre sí debido al flujo relativo del río mismo. En este ejemplo, el río en sí es el espacio-tiempo.
Según el modelo cosmológico actual, los confines distantes del universo se expanden a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz. En el universo temprano, nuestro universo también se expandía a este ritmo. Aún así, dentro de cualquier región específica del espacio-tiempo, las limitaciones de velocidad impuestas por la relatividad se mantienen.
Una posible excepción
Un último punto que vale la pena mencionar es una idea hipotética presentada llamada cosmología de velocidad variable de la luz (VSL), que sugiere que la velocidad de la luz misma ha cambiado con el tiempo. Esta es una teoría extremadamente controvertida y hay poca evidencia experimental directa que la respalde. En su mayoría, la teoría se ha propuesto porque tiene el potencial de resolver ciertos problemas en la evolución del universo temprano sin recurrir a la teoría de la inflación.
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