 |
| ¿De dónde proviene la velocidad de la luz y por qué es tan difícil de modificar? |
¿Cómo conocemos la velocidad de la luz y por qué tiene un límite de velocidad? Leah Crane explora la historia de uno de los números más importantes del universo.
Si has cursado alguna asignatura de física a nivel universitario, guardarás un grato recuerdo de cuando te pedían medir la velocidad de la luz y, si tras varias horas conseguías alinear correctamente los espejos, las lentes y la fuente de luz, obtenías un resultado de casi 300 millones de metros por segundo. Es una constante fundamental en física, crucial para comprender cualquier aspecto del universo.
Cuando observamos el cosmos, la luz es nuestro único recurso; bueno, no exactamente el único, pero las ondas gravitacionales tienen una capacidad de observación bastante limitada, así que disculpen la ligera exageración. Prácticamente todos los avances en astronomía y cosmología se basan en la captación de luz que ha viajado durante millones o miles de millones de años desde los confines de la realidad. Incluso la luz de la estrella más cercana a nuestro sistema solar tarda más de cuatro años en llegar hasta nosotros. El tiempo que tarda la luz en viajar es quizás uno de los aspectos más útiles —y menos intuitivos— de la física.
La gente lleva debatiendo sobre la velocidad de la luz desde mucho antes de que supiéramos qué era realmente la luz. Durante siglos, muchas de las mentes más brillantes creían que la luz se emitía desde el ojo como una especie de linterna, en parte debido al brillo que producen los ojos de algunos animales en la oscuridad desde ciertos ángulos. A pesar de ello, seguían discutiendo si la luz se transmitía instantáneamente o si tardaba en viajar, y esto no se comprobó adecuadamente hasta el siglo XVII.
Los primeros intentos de cuantificarla consistían en colocar una linterna a cierta distancia de un observador y medir la diferencia de tiempo entre el momento en que se abría la linterna y el momento en que el observador veía su luz. Este método no funcionó (Galileo y sus contemporáneos no pudieron obtener una medición concluyente porque los observadores estaban demasiado cerca de las linternas), y finalmente los científicos desarrollaron métodos más complejos y precisos. El primero que funcionó se remonta a 1675, cuando Ole Rømer trabajaba en la medición del período orbital de Ío, la luna de Júpiter. Rømer notó que el período parecía cambiar a medida que la distancia entre la Tierra y Júpiter variaba con el tiempo, lo cual no tenía sentido: ¿por qué la órbita de Ío tendría algo que ver con la posición de la Tierra? De hecho, la diferencia aparente se debía al tiempo que tarda la luz en viajar de Ío a la Tierra, que es menor cuando ambos planetas están más cerca. Uno de sus colegas, Christiaan Huygens, realizó los cálculos y determinó que la velocidad de la luz era de aproximadamente 220 millones de metros por segundo. Esto no era del todo correcto, en parte porque aún desconocíamos los detalles de los movimientos de la Tierra, pero era una aproximación bastante buena, y las estimaciones mejoraron a partir de entonces a medida que los científicos desarrollaban técnicas de medición más precisas. A mediados del siglo XVIII , los valores medidos se encontraban a pocos puntos porcentuales del valor actualmente aceptado de 299 792 458 metros por segundo para la velocidad de la luz en el vacío.
Esto plantea dos preguntas: ¿por qué la velocidad de la luz es un número tan aleatorio y por qué existe un límite de velocidad? La primera es fácil de responder: tiene que ver con nuestras unidades, porque los metros y los segundos (o las millas y las horas, o cualquier otra unidad cotidiana que se prefiera usar) se definieron originalmente en función de la experiencia humana del mundo —una milla equivalía a mil pasos, por ejemplo—, lo cual no tenía nada que ver con constantes fundamentales. La segunda es más compleja y tiene que ver con la relatividad especial.
Encontraremos la respuesta en la que quizá sea la ecuación más famosa jamás escrita: e=mc² . Esto tiene muchas implicaciones, pero en su nivel más básico, significa que podemos considerar la energía y la masa como intercambiables. Cuando los objetos se mueven a velocidades extraordinariamente altas, o relativistas, me gusta pensar que simplemente tienen un momento lineal, que es una combinación de su masa y velocidad. Si quieres acelerar un objeto, tienes que suministrarle cada vez más energía. Un objeto masivo que se moviera a la velocidad de la luz tendría un momento lineal infinito, que puedes interpretar como energía infinita o masa infinita. Eso es simplemente imposible: cuando el objeto se acercara a la velocidad de la luz, su masa sería tan enorme que sería imposible acelerarlo más. Pero la luz no tiene masa, así que evita fácilmente este problema.
La relatividad especial también implica que un observador externo y estacionario vería algo realmente insólito si presenciara esto. Cuando un objeto se mueve a velocidad relativista, desde fuera, el tiempo parece ralentizarse para ese objeto. Si me alejara de ti al 99% de la velocidad de la luz, verías cómo mi envejecimiento se ralentiza. Esto se llama dilatación del tiempo. El otro fenómeno se llama contracción de la longitud: si me alejara volando de cabeza, al estilo de Superman, también me verías encogerme a medida que acelero. Desde mi veloz sistema de referencia, no sentiría que el tiempo se ralentiza ni que me encojo, pero desde fuera, cuanto más me acercara a la velocidad de la luz, más pequeño y atemporal me volvería.
Eso es un problema, porque si alguna vez alcanzara la velocidad de la luz, un observador externo vería cómo el tiempo se detenía por completo para mí al llegar a cero mi altura. Desaparecería de la existencia, junto con el espacio-tiempo que viaja conmigo. Por suerte, las leyes de la física no lo permiten. Lo único que puede alcanzar ese límite de velocidad carece de masa: fotones, gluones, los efectos de la gravedad y poco más. Nada puede viajar a través del espacio-tiempo más rápido.
En lugar de frustrarnos por este límite de velocidad cósmico, podemos alegrarnos, porque la velocidad de la luz tiene una consecuencia muy importante: la idea misma de las consecuencias. Toda la física, toda nuestra comprensión del mundo, se basa en el principio de causalidad, la idea de que el efecto siempre sigue a la causa y nunca al revés.
Piénsalo así: a medida que me acerco a la velocidad de la luz, tú observas que el tiempo se ralentiza para mí. Si alcanzara la velocidad de la luz, se detendría. Y si siguiera acelerándome, comenzaría a retroceder en el tiempo. Al viajar más rápido que la velocidad de la luz, desde tu perspectiva, estaría retrocediendo en el tiempo. Si te enviara una señal que viajara más rápido que la luz, como una especie de mensaje de texto mágico que desafía las leyes de la física, la recibirías antes de que la enviara. Sin nuestro límite de velocidad universal, sería imposible determinar qué evento causó qué efecto; prácticamente todo en el universo sería incomprensible.
Esto me lleva a mi último punto, uno que me resulta a la vez fascinante y divertido de contemplar. Si cada señal tarda en viajar, y el tiempo transcurre de forma diferente en sistemas de referencia que se desplazan a velocidades distintas entre sí, ¿qué significa que dos eventos ocurran «al mismo tiempo»? Si me guiño un ojo en el espejo, el guiño que veo reflejado ocurre en realidad una fracción de segundo después del guiño que realicé físicamente, porque la luz tuvo que rebotar en mi rostro, luego en el espejo, y finalmente regresar a mis ojos para ser percibida. Si se dice que dos eventos en diferentes lugares del espacio ocurrieron al mismo tiempo, debo preguntar: «¿Según quién?». Dependiendo de la distancia entre los dos lugares, es posible que para un observador, el Evento 1 haya ocurrido primero, y para otro, el Evento 2 haya precedido al Evento 1. No existe la simultaneidad objetiva, no existe el «mismo tiempo», y todo porque la luz tiene una velocidad. ¿Increíble, verdad?