¿De dónde viene la velocidad de la luz y por qué es tan obstinada?
NASA, ESA, CXC, SSC
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Si ha tomado una clase de física a nivel universitario, tendrá “gratos” recuerdos de cuando le pidieron que midiera la velocidad de la luz y, si, durante varias horas, logró alinear sus espejos, lentes y fuente de luz correctamente, obtuvo una respuesta de poco menos de 300 millones de metros por segundo. Es una constante fundamental en la física, una constante que es crucial comprender si se quiere aprender algo sobre el universo.
Cuando miramos al cosmos, la luz es nuestro único recurso; bueno, no el único, pero las ondas gravitacionales son bastante limitadas en lo que pueden mostrarnos en este momento, así que perdone la ligera exageración. Prácticamente todos los avances en astronomía y cosmología se basan en recolectar luz que ha viajado millones o miles de millones de años desde los límites de la realidad. Incluso la luz de la estrella más cercana a nuestro sistema solar ha viajado durante más de cuatro años para llegar hasta nosotros. El tiempo que tarda la luz en viajar puede estar entre las partes más útiles (y menos intuitivas) de la física.
La gente ha estado discutiendo sobre la velocidad de la luz desde mucho antes de que tuviéramos idea de qué era realmente la luz. Durante siglos, muchas de las mentes más brillantes pensaron que la luz en realidad salía del ojo como una especie de linterna, en parte debido a cómo los ojos de algunos animales brillan en ciertos ángulos en la oscuridad. A pesar de eso, todavía discutían sobre si la luz se transmitía instantáneamente o tardaba en viajar, y esto no se comprobó adecuadamente hasta el siglo XVII.
Los primeros intentos de cuantificarlo implicaron colocar una linterna a cierta distancia de un observador y medir la diferencia de tiempo entre la apertura de la linterna y el observador que ve su luz. Eso 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 pasaron a métodos más complejos y precisos. El primero que realmente funcionó se produjo en 1675, cuando Ole Rømer estaba trabajando en medir el período orbital de la luna Io de Júpiter. Rømer notó que el período parecía cambiar a medida que la distancia entre la Tierra y Júpiter cambiaba con el tiempo, lo cual no tenía ningún sentido: ¿por qué la órbita de Io tendría algo que ver con la posición de la Tierra? De hecho, sólo parecía diferente debido al tiempo que tarda la luz en viajar de Ío a la Tierra, que es más corto cuando los dos están más cerca uno del otro. Uno de sus colegas, Christiaan Huygens, hizo cálculos y descubrió que la velocidad de la luz era de unos 220.000.000 de metros por segundo. Esto no era del todo correcto, en parte porque todavía no conocíamos los detalles de los movimientos de la Tierra, pero están en el estadio, y las estimaciones mejoraron a partir de ahí a medida que los científicos desarrollaron técnicas de medición más precisas. A mediados del siglo XVIII, los valores medidos estaban dentro de un pequeño porcentaje de la cifra actualmente aceptada 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 millas y horas, o cualquier unidad cotidiana que prefieras usar) se definieron primero en términos de la experiencia humana del mundo (una milla equivalía a mil pasos, por ejemplo), que no tenía nada que ver con constantes fundamentales. El segundo es más complicado y tiene que ver con la relatividad especial.
Encontraremos nuestra respuesta en quizás la ecuación más famosa jamás escrita: e=mc2. Esto tiene muchas implicaciones, pero en su nivel más básico, significa que podemos pensar que la energía y la masa son intercambiables. Cuando los objetos se mueven a velocidades extraordinariamente altas o relativistas, me gusta pensar que simplemente tienen un impulso, que es una combinación de su masa y velocidad. Si quieres acelerar un objeto, debes seguir invirtiendo más y más energía en él. Un objeto masivo que se mueve a la velocidad de la luz tendría un impulso infinito, que se puede considerar como energía infinita o masa infinita. Eso simplemente no es posible: 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, por lo que fácilmente evita este problema.
La relatividad especial también significa que un observador estacionario externo vería algo realmente extraño si estuviera mirando esto. Cuando un objeto se mueve a una velocidad relativista, desde el exterior, el tiempo parece ralentizarse para ese objeto. Si me alejara de ti al 99 por ciento de la velocidad de la luz, verías que mi envejecimiento se ralentiza. Esto se llama dilatación del tiempo. La otra parte se llama contracción de longitud: si estuviera volando lejos de ti de cabeza, al estilo Superman, también me verías cada vez más corto a medida que me hacía más rápido. Desde mi veloz marco de referencia, no sentiría que el tiempo se ralentizara ni que yo mismo me encogiera, pero desde fuera, cuanto más me acercara a la velocidad de la luz, más bajo y sin edad me volvería.
Eso es un problema, porque si alguna vez alcanzara la velocidad de la luz, un observador desde fuera vería que el tiempo se detendría por completo para mí cuando mi altura llegara a cero. Desaparecería de la existencia, junto con el espacio-tiempo viajando conmigo. Por suerte para mí, las leyes de la física no lo permiten. Las únicas cosas que pueden alcanzar ese límite de velocidad son las que no tienen masa: fotones, gluones, los efectos de la gravedad y eso es todo. Nada puede viajar más rápido a través del espacio-tiempo.
En lugar de sentirnos frustrados por este límite de velocidad cósmica, podemos alegrarnos, porque la velocidad de la luz tiene una consecuencia muy importante: toda la idea de las consecuencias. Toda la física, nuestra comprensión total de todo, se basa en un fundamento de causalidad, la idea de que el efecto siempre sigue a la causa y nunca al revés.
Piénsalo de esta manera: a medida que me acerco a la velocidad de la luz, observas que el tiempo se ralentiza para mí. Si alcanzara la velocidad de la luz, se detendría. Y si seguía yendo aún más rápido, empezaría a ir en la dirección opuesta. Al viajar más rápido que la velocidad de la luz, como se observa desde su marco de referencia, estaría retrocediendo en el tiempo. Si te enviara una señal que viajara más rápido que la velocidad de la luz, como una especie de mensaje de texto mágico que desafía la física, la recibirías antes de que yo la enviara. Sin nuestro límite de velocidad universal, sería imposible saber qué evento causó qué efecto; todo lo relacionado con el universo sería prácticamente incomprensible.
Eso me lleva a mi punto final, uno que encuentro alucinante y divertido de contemplar. Si cada señal tarda tiempo en viajar y el tiempo se mueve de manera diferente en sistemas de referencia que viajan a diferentes velocidades uno con respecto al otro, ¿qué significa que dos eventos ocurran “al mismo tiempo”? Si me guiño un ojo en el espejo, el guiño que veo reflejado en realidad ocurre solo una pequeña porción de tiempo después del guiño que hice físicamente, porque la luz tenía que rebotar en mi cara, luego en el espejo y luego regresar a mis ojos para percibir. Si dices que dos eventos en diferentes lugares del espacio ocurrieron al mismo tiempo, tengo que preguntar “¿según quién?”. Dependiendo de la distancia entre las dos ubicaciones, 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 algo como “al mismo tiempo”, y todo porque la luz tiene una velocidad. Salvaje, ¿verdad?
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