¿Qué TANTO sabes de física? ¿La velocidad de la luz es realmente "insuperable"?

La más conocida constante universal es la velocidad de la luz, esto es, casi 300 mil kilómetros por segundo (299.792.458 metros por segundo, para ser más exactos). Para comprender qué tanto es esta velocidad sólo basta con saber que en un lapso de tiempo de un segundo, puede circundar todo el planeta Tierra casi ocho veces, y puede llegar desde La Tierra a la Luna en poco menos que un segundo y medio, algo que le tomaría días a una misión tripulada conseguir.

Ha sido teorizada por el famoso científico alemán Alberto Einstein en su teoría de la relatividad especial como la velocidad uniforme de la luz en todo el universo conocido y el límite físico que cualquier objeto con masa jamás podría sobrepasar, lo que tiempo después sería verificado empíricamente.

Antes del trabajo de Einstein, tanto la masa (los átomos de los que están hechos usted y todo lo que se observa) como la energía habían sido tratados como entidades separadas. No obstante, en el año 1905, Einstein cambió para siempre el modo como los físicos verán al universo. Con su trabajo en la teoría de la relatividad especial, el físico unió permanentemente la masa y la energía en la simple pero fundamental ecuación E = mc2, donde c simboliza matemáticamente a la luz en el vacío.

De acuerdo a esta ecuación, nada con masa puede moverse tanto o más rápido que la luz y, como muestra de ello, tras años de desarrollo tecnológico, lo más cercano a la velocidad de la luz que la humanidad ha llegado a alcanzar alguna vez ha sido mediante el uso de potentes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones, en los cuales los científicos aceleran partículas subatómicas a más del 99.99% de la velocidad de la luz.

Sin embargo, tal como el Premio Nobel de Física (2004), David Gross ha explicado, estas partículas aceleradas “nunca alcanzarán el límite de velocidad cósmica”, puesto que para lograrlo, se requeriría una infinita cantidad de energía y, en el proceso, la masa de los objetos se volvería infinita, lo cual es imposible en mérito de que las partículas de la luz (fotones), viajan a la velocidad de la luz por el hecho de que precisamente “no tienen masa”.

Con todo, desde la era de Einstein, los físicos han descubierto que algunas entidades físicas pueden alcanzar velocidades “súper-lumínicas”, esto es, “más rápido que la luz”, y aún así cumplir las leyes del cosmos establecidas por la relatividad especial. A continuación se examinarán tres casos de fenómenos que pueden superar la velocidad de la luz sin desaprobar la teoría de Einstein.

De entrada, de acuerdo a la teoría de la relatividad especial de Einstein nada con la masa puede ir más rápido que la velocidad de la luz, y en lo que al conocimiento científico y las observaciones concierne, el Universo se ciñe a esa regla. No obstante surge la interrogante, ¿y si algo no tiene masa, qué ocurre?

Se sabe que el espacio vacío, al igual que los fotones, no posee sustancia material por lo que puede considerarse que no tiene masa. El astro-físico teórico Michio Kaku resume la idea implicada:

Precisamente es esto lo que los físicos piensan ocurrió inmediatamente después del Big Bang, en una época denominada 'inflación', que fue la primera hipótesis planteada en la década de los 80 por los físicos Alan Guth y Andrei Linde.

La inflación cósmica es hoy día parte del modelo cosmológico estándar del Big Bang que explica el origen del Universo. Propone que en los primeros instantes de su existencia, esto es, una trillonésima parte de una billonésima de segundo, el Universo se expandió de tal manera que incrementó su tamaño de manera exponencial y, como resultado, el borde exterior del universo se desplazó muy rápido, mucho más rápido que la velocidad de la luz.

Asimismo, desde los descubrimientos de Hubble se tiene evidencia empírica de que el Universo está en permanente expansión y lo hace cada vez más rápido al punto de superar la velocidad de la luz. En realidad es el espacio del universo el que se expande y eso hace que las galaxias se distancien unas de otras cada vez más. Tanto se expande el Universo que los científicos estiman su eventual muerte por enfriamiento o sino un Big RIP (Big Rest in Peace, “Gran Descansa en Paz”), en el cual el estiramiento extremo del espacio hará que los átomos se desgarren y sólo queden partículas subatómicas.

Éste es verdaderamente un extraño fenómeno del mundo cuántico que inquietó al mismo Alberto Einstein y al cual se refirió como “fantasmal acción a distancia”. Técnicamente, se trata de un conjunto de partículas entrelazadas que deben ser consideradas un sistema con una función de onda única para todo el sistema. Esto significa que no deben considerarse a tales partículas como individuales y con estados definidos, ya que están entrelazadas.

El físico teórico Michio Kaku, lo explica más sencillamente:

"Si tengo dos electrones juntos, pueden vibrar al unísono, de acuerdo con la teoría cuántica [...] Si agito un electrón, el otro electrón ‘percibe’ esta vibración instantáneamente, más rápido que la velocidad de la luz. Einstein pensó que esto, por lo tanto, refutaba la teoría cuántica, ya que nada puede ir más rápido que la luz" (Kaku,op. cit.).

En realidad, Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, intentaron refutar la teoría cuántica con un experimento mental sobre esta "espeluznante acción a distancia". En su artículo de 1935 denominado “¿Puede la descripción de la mecánica cuántica de la realidad física ser considerada incompleta?”, plantearon lo que hoy se llama la paradoja EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), una paradoja que describe esta comunicación instantánea del entrelazamiento cuántico, la cual en principio violaría el límite de la velocidad de la luz y el principio de localidad.

Sin embargo, existen modos de adecuar partículas en estado de entrelazamiento para luego separarlas a distancias descomunales, y en ello, las partículas mantendrán abierta esa 'especie de puente de comunicación instantáneo', ya que llevan consigo correlaciones no-locales que alteran su estado mutuo al ser medida una de ellas.

La existencia del entrelazamiento cuántico ha sugerido la necesidad de dejar de considerar a la velocidad de la luz como límite insuperable y es así en la medida como esto no contradice la relatividad especial, ya que este proceso, a pesar de las apariencias, no implica un intercambio de información útil sino aleatoria (la información viaja a la velocidad de la luz). A pesar de ello, se sabe que este misterio es hoy día la base de investigaciones aplicativas con miras al desarrollo de tecnologías como la computación cuántica y la criptografía.

Cuando los objetos viajan más rápido que la velocidad del sonido, estos generan una explosión sónica (también conocida como 'boom sónico'). Un cohete supersónico, por ejemplo, viaja a través del aire, al tiempo que genera ondas de presión al frente, las cuales se alejan de él a la velocidad del sonido. Mientras más se acerca el cohete a esta 'barrera de sonido', menos tiempo tienen las ondas para salir de su camino, por lo que una vez que el cohete alcanza la velocidad del sonido, las olas se agrupan creando un frente de choque que forma un fuerte estruendo sónico.

Este mismo efecto, en teoría, también puede ocurrir si algo viaja más rápido que la velocidad de la luz, y podría denominarse análogamente 'explosión lumínica'. De hecho, este efecto ocurre en la práctica diaria de todo el mundo y, a diferencia de los fenómenos reseñados anteriormente, hasta podría presenciarlo con sus propios ojos. Se llama 'radiación Cherenkon' y luce como un resplandor azul dentro de reactores nucleares. Esta radiación recibe su nombre del científico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov, quien la midió por primera vez en 1934 y por ello fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1958.

Como se aprecia en la imagen, la radiación de Cherenkov se ilumina porque el núcleo del Reactor de Pruebas Avanzado es sumergido en agua para mantenerlo frío. En el agua, la luz viaja al 75% de la velocidad que tendría en el vacío del espacio exterior, pero las partículas creadas por la reacción dentro del núcleo (electrones) sí viajan a través del agua más rápido que la luz.

Del mismo modo como ocurre con ondas de sonido, cuando los electrones viajan a través del agua a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz en el agua, generan una onda de choque de luz similar a la onda de choque de un boom sónico, la cual a veces brilla como luz azul, como también en ultravioleta. El siguiente vídeo amplia la información sobre este fenómeno

Se aprecia que estas partículas pueden viajar más rápido que la luz en el agua, aunque realmente no están superando el límite de velocidad cósmica de 299.792 kilómetros por segundo establecido por Einstein.