¿Puede algo moverse más rápido que la velocidad de la luz?

Un hecho comúnmente conocido en física es que no puedes moverte más rápido que la velocidad de la luz. Aunque eso es básicamente cierto, también es una simplificación excesiva. Bajo la teoría de la relatividad, en realidad hay tres maneras en que los objetos pueden moverse:

  • A la velocidad de la luz
  • Más lento que la velocidad de la luz
  • Más rápido que la velocidad de la luz

Moviéndose a la velocidad de la luz

Una de las ideas clave que Albert Einstein utilizó para desarrollar su teoría de la relatividad fue que la luz en el vacío siempre se mueve a la misma velocidad.

Las partículas de luz, o fotones, por lo tanto, se mueven a la velocidad de la luz. Esta es la única velocidad a la que los fotones pueden moverse. Nunca pueden acelerar o desacelerar. (Nota: Los fotones cambian de velocidad cuando pasan a través de diferentes materiales. Así es como ocurre la refracción, pero es la velocidad absoluta del fotón en un vacío que no puede cambiar. De hecho, todos los bosones se mueven a la velocidad de la luz, hasta donde podemos decir.

Más lento que la velocidad de la luz

El siguiente grupo mayor de partículas (hasta donde sabemos, todas las que no son bosones) se mueven más lentamente que la velocidad de la luz. La relatividad nos dice que es físicamente imposible acelerar estas partículas lo suficientemente rápido como para alcanzar la velocidad de la luz. ¿Por qué es esto? De hecho, equivale a algunos conceptos matemáticos básicos.

Dado que estos objetos contienen masa, la relatividad nos dice que la ecuación energía cinética del objeto, basada en su velocidad, está determinada por la ecuación:

Ek = m0(γ - 1)c2

Ek = m0c2 / raíz cuadrada de (1 - v2/c2) - m0c2

Hay mucho que hacer en la ecuación anterior, así que vamos a descomponer esas variables:

  • γ es el factor de Lorentz, que es un factor de escala que aparece repetidamente en relatividad. Indica el cambio en diferentes cantidades, como la masa, la longitud y el tiempo, cuando los objetos se mueven. Desde γ = 1 / / raíz cuadrada de (1 - v2/c2), esto es lo que causa el aspecto diferente de las dos ecuaciones mostradas.
  • m0 es la masa en reposo del objeto, obtenida cuando tiene una velocidad de 0 en un marco de referencia dado.
  • c es la velocidad de la luz en el espacio libre.
  • v es la velocidad a la que se mueve el objeto. Los efectos relativistas sólo son notablemente significativos para valores muy altos de v, por lo que estos efectos podrían ser ignorados mucho antes de que apareciera Einstein.

Observe el denominador que contiene la variable v (para velocidad). A medida que la velocidad se acerca más y más a la velocidad de la luz (c), ese término v2/c2 se acercará más y más a 1 ... lo que significa que el valor del denominador ("la raíz cuadrada de 1 - v2/c2") se acercará más y más a 0.

A medida que el denominador se hace más pequeño, la energía misma se hace más y más grande, acercándose al infinito. Por lo tanto, cuando tratas de acelerar una partícula casi a la velocidad de la luz, se necesita más y más energía para hacerlo. En realidad, acelerar a la velocidad de la luz misma requeriría una cantidad infinita de energía, lo cual es imposible.

Por este razonamiento, ninguna partícula que se mueva más lentamente que la velocidad de la luz puede alcanzar la velocidad de la luz (o, por extensión, ir más rápido que la velocidad de la luz).

Más rápido que la velocidad de la luz

¿Y si tuviéramos una partícula que se mueve más rápido que la velocidad de la luz?

¿Es eso posible?

Estrictamente hablando, es posible. Tales partículas, llamadas taquiones, han aparecido en algunos modelos teóricos, pero casi siempre terminan siendo removidas porque representan una inestabilidad fundamental en el modelo. Hasta la fecha, no tenemos evidencia experimental que indique que los taquiones existen.

Si existiera un taquión, siempre se movería más rápido que la velocidad de la luz. Utilizando el mismo razonamiento que en el caso de las partículas más lentas que la luz, puedes probar que se necesitaría una cantidad infinita de energía para ralentizar un taquión a la velocidad de la luz.

La diferencia es que, en este caso, el término v es ligeramente mayor que uno, lo que significa que el número en la raíz cuadrada es negativo. Esto resulta en un número imaginario, y ni siquiera está conceptualmente claro lo que significaría realmente tener una energía imaginaria.

(No, esto no es energía oscura.)

Luz más rápida que lenta

Como mencioné antes, cuando la luz pasa de un vacío a otro material, se ralentiza. Es posible que una partícula cargada, como un electrón, pueda entrar en un material con suficiente fuerza para moverse más rápido que la luz dentro de ese material. (La velocidad de la luz dentro de un material dado se llama velocidad de fase de la luz en ese medio). En este caso, la partícula cargada emite una forma de radiación electromagnética que se denomina radiación Cherenkov.

La excepción confirmada

Hay una manera de evitar la velocidad de la restricción de la luz. Esta restricción sólo se aplica a los objetos que se mueven a través del espaciotiempo, pero es posible que el espaciotiempo mismo se expanda a una velocidad tal que los objetos dentro de él se separen más rápido que la velocidad de la luz.

Como ejemplo imperfecto, piense en dos balsas flotando por un río a una velocidad constante. El río se bifurca en dos ramas, con una balsa flotando por cada una de ellas. Aunque las balsas mismas siempre se mueven a la misma velocidad, se mueven más rápido en relación unas con otras debido al flujo relativo del propio río. En este ejemplo, el río mismo es el espaciotiempo.

Bajo el modelo cosmológico actual, los confines distantes del universo se expanden a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz. En el universo primitivo, nuestro universo también se expandía a este ritmo. Aun así, dentro de cualquier región específica del espaciotiempo, las limitaciones de velocidad impuestas por la relatividad se mantienen.

Una posible excepción

Un punto final que vale la pena mencionar es una idea hipotética presentada llamada cosmología de la velocidad variable de la luz (VSL), que sugiere que la velocidad de la luz en sí misma ha cambiado con el tiempo.

Esta es una teoría extremadamente controversial y hay poca evidencia experimental directa que la apoye. La mayoría de las veces, la teoría ha sido presentada porque tiene el potencial de resolver ciertos problemas en la evolución del universo primitivo sin recurrir a la teoría de la inflación.

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