julio 23, 2020

¿Puede haber algo más rápido que la luz?

Mariam Tórtola
El País

Experimentalmente nunca se ha visto nada que vaya más rápido que la luz, que se mueve a 300.000 km/s. Y tenemos una explicación teórica para ello: la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Esta teoría dice que nada puede ir más rápido que la luz. Einstein la construyó a partir de dos observaciones que, aparentemente, eran contradictorias. Por un lado, estaba la relatividad de Galileo. En ella, se explicaba el concepto de velocidades relativas entre sistemas y cómo se hacía la suma de velocidades. Se entiende muy bien con un ejemplo: imagínate un pasajero en un tren que va a 100 km/h y en el andén hay una persona que ve pasar el tren, si el pasajero que va en el tren lanza una pelota a 10 km/h dentro del vagón, el observador que está fuera del tren no ve que la velocidad de esa pelota sea 10 km/h sino que tendría que sumar la velocidad del tren más la de la pelota, por lo que la vería moverse a 110 km/h. Eso es lo que decía la relatividad de Galileo. Pero si el pasajero del tren en vez de lanzar una pelota lanza un rayo luminoso, según la relatividad de Galileo, el observador que está fuera del tren vería que ese rayo luminoso se desplaza a la velocidad de la luz sumada a la velocidad del tren. Lo que implicaría que el pasajero del tren y el observador exterior verían moverse el rayo con velocidades diferentes.

El otro hecho en el que se apoyó Einstein es que a finales del siglo XIX había experimentos para medir la velocidad de la luz en sistemas en movimiento, en el más famoso se intentó medir lanzando un rayo de luz en la dirección del movimiento de la Tierra y otro en la dirección perpendicular. Según la teoría de Galileo se esperaría que, por la suma de velocidades, el que se movía en paralelo a la Tierra debía ir más rápido que el que se movía en perpendicular. Pero eso no ocurría. La velocidad de la luz era siempre la misma independientemente de si se movía dentro de un sistema que ya estaba en movimiento o no. Eso contradecía la relatividad de Galileo, la suma de velocidades no se aplicaba a luz.

Einstein reconcilia esos dos hechos contradictorios y para ello se basa en dos postulados. El primero es que las leyes son las mismas para todos los sistemas que se mueven a velocidades constantes, eso quiere decir que son las mismas para el pasajero del tren y para el observador que está fuera. Y el segundo es que la velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, es constante.

Estos postulados tienen varias consecuencias. La más famosa es que el tiempo y el espacio dejan de ser absolutos y empiezan a ser relativos porque solo así se cumple el primer postulado. Si la velocidad de la luz es constante, necesitamos que el tiempo y el espacio no lo sean para que tanto el pasajero como el observador vean que es así. El tiempo, al no ser absoluto pasa a ser como el espacio, y se habla de espacio-tiempo.

Lo que predice la teoría de la relatividad especial es que, para un observador en movimiento, el tiempo pasa más despacio respecto a un observador que está en reposo y, de la misma forma, para el observador que se mueve, las distancias se contraen. El ejemplo de esto es la paradoja de los gemelos: uno se queda en la Tierra y otro viaja en una nave espacial a velocidades muy altas. Para este último, por los efectos de la relatividad espacial, el tiempo pasa más lento, hay una dilatación temporal de forma que cuando vuelve a la Tierra es más joven que su hermano gemelo que se ha quedado en casa.

En la teoría de la relatividad especial también se modifica el concepto de masa, aparece el concepto de masa relativista. Por un lado, está la masa invariante o masa propia de una partícula que no depende del observador, pero existe otra masa llamada relativista que sí depende de la velocidad con la que se mueve el observador, es decir, de la velocidad relativa entre el cuerpo y el observador. Si la velocidad a la que se mueve el objeto con respecto al observador es muy pequeña, ambas masas son prácticamente iguales, pero si la velocidad de la partícula es muy grande, la masa relativista crece y, a medida que se acerca a la velocidad de la luz, esta masa tiende a infinito. Y aquí viene la respuesta a tu pregunta, la teoría de la relatividad especial nos dice que, a medida que aumenta la velocidad de la partícula, su masa relativista crece y crece y eso aumenta su resistencia al movimiento. Como cuando se acerca a la velocidad de la luz su masa tiende a infinito, haría falta una energía infinita para seguir acelerándola y eso es algo que nunca se consigue. Así es como nos explica la física por qué una partícula con masa no puede ir más rápido que la luz. Este razonamiento no se aplica a los cuerpos sin masa, como las partículas de la luz o fotones, y por eso la luz puede viajar a la velocidad máxima de 300.000 km/h.

Pero debes tener en cuenta que es una teoría, que es consistente y nos da una explicación a por qué ninguna partícula con masa puede moverse más rápido que la luz pero, si en algún momento se observara, tendríamos que modificar la teoría.

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