¿Es posible superar la velocidad de la luz?
superar la velocidad de la luz es una cuestión más de semántica que de física.
El hecho de que se afirme habitualmente que no es posible superar la velocidad de la luz, se basa en dos consideraciones que tienen como punto de partida la Relatividad Especial, una teoría cuyo contraste experimental es realmente abrumador (Siegmar Schleif 1998): una primera consideración bastante sólida desde el punto de vista de la física (el argumento energético) y otro argumento mucho más discutible (el argumento del viaje al pasado):
El argumentoe energetico tiene como base la mas famosa de las escuaciones de la fisica E=m c2 (E es la energia, m la masa y c la velocidad de la luz). La masa m es una cantidad que aumenta con la velociada v de la forma
m = m0 (1 - v2/c2)-1/2
siendo m0 la masa en reposo del objeto. Esto deja claro que incluso aproximarse a la velocidad de la luz requiere de cantidades inmensas de energía.
El argumento del viaje al pasado. Para cualquier objeto que se mueva a una velocidad superor a la de la luz, siempre es posible encontrar a un observador inercial que lo vea viajar al pasado, lo que se considera habitualmente como absurdo debido a lo que se conoce con el término general de Paradoja del Abuelo: si uno viaja al pasado y mata a un ancestro parece crear un problema en el orden causal de los acontecimientos. El lector interesado en este punto debería acudir a Thorne (1994) , Baez y colaboradores (1992-98), Hinson (1995) ,Scientific American Ask the Expert
En 1994 Nimtz y colaboradores (Enders A. and Nimtz G. 1993 & Heitmann W. and Nimtz G. 1994 ) afirmaban haber enviado la 40ª sinfonía de Mozart a una velocidad de 4.7 c atravezando una barrera de 11.4 cm utilizando el efecto túnel. El efecto túnel es una efecto cuántico que permite a una partícula atravesar una barrera energética que en principio no podría atravesar en el mundo clásico. Así, si bien la probabilidad de que todas las partículas atómicas de un ser humano se presenten en el lugar que les corresponde y en el otro lado de una pared es ridículamente pequeña, sí que para una partícula como un fotón o un electrón existe una cierta probabilidad apreciable de atravesar pequeñas barreras. Si uno calcula la velocidad de paso por una barrera energética, ésta resulta claramente mayor que la de la luz (Frewin et al. 1995 , A. M. Steinberg, P. G. Kwiat, and R. Y. Chiao 1993, Physical Review Letters, Vol. 71, page 708).
¿Han enviado entonces Nimtz y colaboradores una señal superlumínica?. La respuesta es que muy posiblemente no. En el efecto túnel las partículas se comportan como ondas. La velocidad de grupo de dichas ondas puede ser mayor que c, lo que no significa necesariamente que con dichas ondas se pueda enviar información (ver apartado anterior). De hecho, una señal tardaría del orden de 0.4 nanosegundos en atravesar una barrera de 11,4 cm a la velocidad de la luz.
Una señal de audio lo suficientemente suave puede ser anticipada unos 1000 nanosegundos a partir de la extrapolación de la información contenida en la forma de la onda. Aunque este no ha sido el método utilizado por Nimtz y colaboradores, ilustra el hecho de que los experimentadores tendrán que realizar la proeza con una señal de mayor frecuencia y aleatoriedad y una barrera mayor si quieren ser suficientemente convincentes.
O como lo han expresado Raymond Chiao y colaboradores de la Universidad California en Berkeley (Brown, Julian 1995): Lo que impide a uno enviar una señal más rápido que la luz es que el cálculo sólo funciona para pulsos con variación suave. Si uno de estos pulsos se presentara al mediodía, sería posible predecir su forma a partir de su apariencia a las 8 a.m. Si al mediodía uno recibiera de repente un mensaje importante y decidiera cambiar la forma del pulso con objeto de transmitir este mensaje, ese cambio no viajaría nunca más rápido que la luz.
La idea es análoga a lo explicado en el applet de la sección anterior
Presentación de los resultados del experimento OPERA llevado a cabo en el CERN en el que se observaron nuetrinos que viajaban más rápido que la velocidad de la luz. Este descubrimiento, que tendrá que corroborarse con nuevas investigaciones, invalidaría la teoría de la relatividad de Einstein.
Un rayo supera 310 veces la velocidad de la luz en un experimento en EE UU (**)
Un pulso de luz que avanza a velocidad tan increíble que, paradójicamente, se detecta a la salida de una caja de gas cesio 62 milmillonésimas de segundo antes que a la entrada. Ése es el resultado de un reciente experimento, calificado de asombroso por los propios científicos, y que hoy se publica en Nature, cuando ya ha suscitado el interés de los investigadores. El experimento muestra que la luz en forma de paquetes o pulsos puede, en condiciones muy especiales, sobrepasar 310 veces su propio límite de velocidad (300.000 kilómetros por segundo), establecido en la teoría de la relatividad especial de Einstein.
Uno de los experimentos imaginarios utilizados para ilustrar la teoría de la relatividad especial de Einstein es "la paradoja del abuelo", según la cual un astronauta hace un viaje de ida y vuelta en una nave que viaja a una velocidad superior a la de la luz y llega de vuelta a la Tierra muchos años antes de haber partido. Viajar más rápido que la luz implica viajar hacia atrás en el tiempo. El astronauta vuelve antes de que sus abuelos hayan concebido a su padre y mata a su abuelo. Entonces, resulta imposible su existencia. Esto, dicen los libros de texto, es precisamente el tipo de absurdo que hace imposible que cualquier cosa viaje a una velocidad superior a la de la luz en el vacío: 300.000 kilómetros por segundo, conocida como c.Ahora, un equipo de físicos de Estados Unidos ha conseguido que un rayo de luz atraviese una cámara de gas a una velocidad varios centenares de veces superior a la de la luz. Se mueve tan deprisa que sale de la cámara antes de entrar.
Lijun J. Wang y su equipo, del Instituto de Investigación NEC en Princeton (Nueva Jersey) describen hoy este resultado aparentemente absurdo en la revista Nature pero se preocupan de señalar que no viola la teoría de la relatividad ni el principio de causalidad (que dice que la causa siempre precede al efecto). Según explicó Wang (véase EL PAÍS del 7 de junio de 2000) cuando su experimento empezó a ser conocido: "En efecto, se puede hacer que nuestros impulsos luminosos viajen a una velocidad superior a c. Esto es una propiedad especial de la luz en sí, que es diferente de un objeto conocido, como un ladrillo, ya que la luz es una onda sin masa". Según su argumento, los pulsos superlumínicos son el resultado de mecanismos clásicos de interferencia debidos a la la naturaleza ondulatoria de la luz y no se transmite información alguna (señal) a velocidad superior a c.
El principio de causalidad es el principio que resulta amenazado en la paradoja del abuelo. La luz que parece llegar antes de partir resulta, a primera vista, una paradoja del mismo calibre. La razón de que no lo sea es bastante sutil.
Un impulso de luz puede ser considerado como cierto número de rayos u ondas que viajan juntos, en cierto modo como un grupo de turistas. Algunos se encontrarán a la cabeza del grueso del grupo; otros se quedarán rezagados, pero el grupo como tal se mueve con una determinada velocidad de grupo. Cuando un pulso de luz se mueve por la mayor parte de los materiales su velocidad de grupo es más pequeña que en el vacío, de la misma forma que un grupo de turistas se mueve más despacio en un museo que en un patio donde no tiene nada que observar. El grado de deceleración caracteriza el índice de refracción del material.Para hacer que la luz se mueva más deprisa de lo que lo haría en el vacío -más deprisa que c- hay que crear un material que tenga un índice de refracción inusual. Esto ya se ha conseguido antes de los experimentos de Wang y su equipo, mediante la utilización de un material que distorsiona la forma del pulso luminoso. Si volvemos a la analogía de los turistas, esto se corresponde con que muchos de ellos se unan a la cabeza del grupo, haciendo correr a los que se quedan atrás. La velocidad de grupo de un pulso así distorsionado puede exceder de c incluso si los rayos en sí mismos no viajan más deprisa que la luz.
Sin embargo, ahora, Wang ha demostrado una transmisión más veloz que c sin distorsión del pulso de luz. En su material, un gas frío de atómos de cesio, las ondas de luz que se propagan son amplificadas en unas frecuencias por interacción con los átomos. Esto produce extraños efectos en el índice de refracción del gas en las cercanías de la frecuencia de amplificación. Para explotar este efecto sin distorsionar el pulso de luz, los científicos tuvieron que utilizar un truco especial que consistió en enviar a través del gas dos rayos láser con frecuencias ligeramente diferentes. Al hacerlo, consiguieron una velocidad de grupo unas 310 veces superior a c - un incremento mucho mayor que lo visto en experimentos anteriores.
Además, la velocidad de grupo fue negativa, lo que quiere decir que el pulso viaja en la dirección opuesta a las ondas individuales. Es como si al andar en un sentido, el grupo de turistas terminara moviéndose en sentido contrario, como sucede en un atasco, que se propaga hacia atrás aunque los automóviles sigan moviéndose hacia adelante. Este resultado antiintuitivo es posible únicamente porque los rayos de luz, al revés que los turistas, son ondas.
Como consecuencia, parece que el pulso sale de la cámara de gas 62 nanosegundos (milmillónesimas de segundo) antes de que entre. Sin embargo, esto no viola la causalidad porque el pulso que viaja acelerado y en sentido contrario no puede mandar ninguna información codificada a mayor velocidad que la de la luz en el vacío y por tanto no puede tener un efecto sobre su propia causa.
Sin embargo, existe cierta discusión todavía, según explica el especialista Jon Marangos en la misma revista, sobre cuál es la velocidad a la que de verdad se transmite información en un pulso de luz, y esto depende de cómo se defina la información. En el caso de pulsos de luz formados por muy pocos fotones se podría argumentar que la velocidad del grupo es la misma que la de cada uno de los fotones, y si esto se ampliara a un solo fotón, tendría implicaciones en la transmisión cuántica de información, un área de interés en la actualidad.
Referencias
- Michel Alcubierre 1994 Classical and Quantum Gravity, 11, L73-L77.http://www.astro.cf.ac.uk/groups/relativity/papers/abstracts/miguel94a.html. Disponible también en http://xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/0009013. Ver también la prupuesta estrechamente relacionada de Van Den Broeck 1999 http://xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/9905084
- Baez, John y colaboradores. 1992-1998. Usenet Relativity FAQ http://math.ucr.edu/home/baez/physics/relativity.html
- Brown, Julian 1995. Faster Than the Speed of Light. New Scientist 146 (Apr. 1995): 26-30. http://www.socorro.demon.co.uk/gunter.htm
- Collins, Chris. 2000. Trick of the light http://www.salon.com/people/feature/2000/08/03/light/index.html
- Ryan Frewin, Renee George, y Deborah Paulson 1995. Superluminal Motion: Fact or Fiction?. http://lal.cs.byu.edu/ketav/issue_3.2/Lumin/lumin.html
- Hillman, Chris. 2001. Relativity on the World Wide http://math.ucr.edu/home/baez/relativity.html
- LJ Wang Homepage. http://www.neci.nec.com/homepages/lwan/faq.htm#relativity
- (**) ELPAIS.com (Jueves 29/09/2011). Un rayo supera 310 veces la velocidad de la luz en un experimento en EE UU. Disponible en: http://www.elpais.com/articulo/sociedad/EINSTEIN/_ALBERT/rayo/supera/310/veces/velocidad/luz/experimento/EE/UU/elpepisoc/20000720elpepisoc_16/Tes
