Superluminal
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Más rápido que la luz (también llamado superluminal), Comunicación superluminal y Viaje interestelar se refieren a la propagación de información o materia a una velocidad superior a c (velocidad de la luz). Este concepto es parte de la ciencia ficción (por lo menos hasta donde la teoría actual permite comprender el universo), aunque también es sujeto de estudios científicos actuales.
[editar] Terminología
[editar] Viajar más rápido que la luz
En el contexto de este artículo, más rápido que la luz se refiere a transmitir información o materia a una velocidad superior a c, que es una constante equivalente a la velocidad de la luz en el vacío, equivalente a aproximadamente 300.000 km/s. Esto no es igual a viajar más rápido que la luz porque:
- Algunos procesos se propagan a velocidades mayores a c, pero no portan información (ver la sección Aparentemente más rápido que la luz de este mismo artículo).
- La luz viaja a una velocidad dada por c/n cuando no está en un vacío, sino que viaja en un medio con índice de refracción equivalente a n, provocando que la luz se refracte; en otros materiales la luz puede viajar más rápido que c/n (aunque siempre más lento que c, lo cual provoca Radiación de Cherenkov.
Ninguno de estos fenómenos viola la Relatividad especial ni crea un problema de causalidad, por lo que no califican como más rápidos que la luz.
[editar] Posibilidad de realización
El viaje o comunicación superluminales son problemáticos en un universo consistente con la Teoría de la Relatividad de Einstein. En un universo hipotético donde las Leyes de Newton y las Transformaciones de Galileo son exactas, lo siguiente sería cierto:
- Las leyes de la Física son las mismas en cualquier marco de referencia, aunque algunas leyes incluirían terminología que involucre la velocidad de dicho marco de referencia
- Las cantidades medidas en diferentes marcos de referencia se relacionan por las Transformaciones de Galileo , aunque para algunas cantidades la transformación será más complicada que para otras
- Las velocidades se suman de forma lineal
- En un marco de referencia, un punto x corresponde a la trayectoria x-vt, donde el marco se mueve a una velocidad relativa (relativa al marco de referencia original) llamada v
- No hay nada fundamental acerca de la velocidad de onda de la luz
- Todos los observadores coinciden en tiempo
- La simultaneidad es un concepto bien definido, en el que todos los observadores están de acuerdo en que 2 eventos cualesquiera son simultáneos
Sin embargo, de acuerdo a la Relatividad Especial, lo que medimos como velocidad de la luz en el vacío es en realidad la constante física c. Esto significa que todos los observadores, sin importar su aceleración o velocidad relativa, siempre verán que las partículas de masa cero (como el fotón o el gravitón) viajan a velocidad c. Esto significa que las medidas de tiempo y velocidad en distintos marcos ya no se relacionan por constantes, sino por las Transformaciones de Poincaré, lo que a su vez implica que:
- Para acelerar un objeto de masa distinta a cero hasta c se necesitaría tiempo infinito con aceleración finita, o aceleración infinita con tiempo finito
- De cualquier manera, tal aceleración requiere energía infinita. Ir más allá de la luz en un espacio homogéneo entonces requeriría más que infinita energía, lo cual es una noción irracional
- Viajar más rápido que la luz en un marco de referencia inercial equivaldría a viajar hacia atrás en el tiempo si se observa desde un marco referencial distinto, pero igualmente válido
Por esto, parece que sólo existe un limitado número de razones para justificar el comportamiento más rápido que la luz:
[editar] Opción A: Ignorar la Relatividad Especial
Es la solución más sencilla, y es particularmente popular en ciencia ficción. Evidencia empírica afirma de manera unánime que el universo obedece las leyes de Einstein, y no las de Newton, cuando ambas leyes entran en conflicto. Sin embargo, la relatividad general es únicamente un vistazo aproximado a la realidad, dado que es incompatible con la mecánica cuántica.
La relatividad especial es fácilmente incorporada en la teoría de campos cuánticos (que es no-gravitacional), aunque sólo aplica a un universo plano. En particular, nuestro universo en expansión contiene puntos de energía que curvan el espacio-tiempo e incluso puede contener una constante cosmológica que rechazaría la hipótesis del universo plano. Pero en el contexto más amplio de relatividad general, el cambio de aceleración subluminal a superluminal no pareciera ser posible de realizar.
[editar] Opción B: El vacío de Casimir
Las ecuaciones de Einstein acerca de la relatividad especial sugieren que la velocidad de la luz no varía en marcos de referencia inerciales, o en otras palabras, siempre será la misma desde cualquier punto donde se vea. Las ecuaciones no especifican ningún valor particular para la velocidad de la luz, que más bien se ha podido determinar de manera experimental.
Esta averiguación experimental ha sido llevada a cabo en el vacío. Pero el vacío que nosotros conocemos no es el único vacío que existe. El vacío tiene una energía asociada a él, llamada energía de vacío, y ésta puede ser modificada en ciertos casos. Cuando disminuye, la luz puede alcanzar un valor superior a c. Dicho vacío puede ser producido al juntar (hasta separaciones en escala atómica) 2 placas metálicas perfectamente lijadas. Esto se llama el Vacío de Casimir, y de los cálculos se infiere que la luz rebasará c en dicho entorno. Sin embargo, esto no se ha podido verificar de forma experimental por las limitaciones tecnológicas actuales.
Las ecuaciones de Einstein acerca de la relatividad especial asumen de manera implícita el concepto de homogeneidad. El espacio es igual (homogéneo) en todos lados. En el caso del Vacío de Casimir, esto es claramente violado, pues el valor de c dentro del vacío es distinto al del resto del universo, lo cual altera las ecuaciones de relatividad especial. Sin embargo, al considerar que hay 2 marcos de referencia (el vacío es uno, el resto del universo es el otro), las ecuaciones de relatividad especial ya no se aplican, pues ya no se puede asumir que exista homogeneidad en el universo.
Dicho en otras palabras, el Efecto Casimir divide el espacio en distintos sectores homogéneos, cada uno de los cuales sigue las reglas de la relatividad general a su manera.
Si bien lo anterior es, técnicamente hablando, ir más rápido que la luz, sólo es cierto cuando se compara con regiones del espacio disociadas del fenómeno Casimir. No está claro si el vacío de Casimir es estable bajo las leyes de mecánica cuántica, y si se puede establecer comunicación entre la región del espacio bajo efectos de Casimir, y otras regiones.
[editar] Opción C: Desechar la causalidad
Otra aproximación sería aceptar la relatividad especial, pero admitiendo que algunos mecanismos de la relatividad general, tales como los agujeros de gusano, permitirían viajar entre 2 puntos dados sin recorrer el espacio intermedio.
Mientras que esto soluciona la necesidad de una aceleración infinita, todavía acarrea el problema de violar la causalidad y generar curvas de tiempo cerradas. La causalidad no se necesita en relatividad especial ni general, pero es considerada una propiedad básica del universo, que no puede ser obviada. Es por esto que muchos científicos esperan (y desean) que la gravedad cuántica pueda solucionar este bache. Una alternativa es suponer que si el viaje en el tiempo fuera posible, nunca llevaría a ocasionar paradojas. Esto se llama principio de auto-consistencia de Novikov.
[editar] Opción D: Desechar la relatividad absoluta
Debido al fuerte apoyo de los hallazgos empíricos hacia la relatividad especial, cualquier modificación a ésta debe ser muy sutil y difícil de medir. El intento más conocido es la relatividad doblemente especial, que plantea que la longitud de Planck es la misma en cualquier marco de referencia. Este concepto se asocia con el trabajo de Giovanni Amelino-Camelia y João Magueijo.
Una consecuencia de esta teoría es tener una velocidad de la luz variable, donde la velocidad de los fotones cambia de acuerdo a la energía, e incluso algunas partículas de masa cero podrían exceder c. Si bien evidencia reciente pone serias dudas sobre esta teoría, algunos científicos todavía la consideran viable. Sin embargo, aún si fuera cierta, esta teoría sigue siendo poco clara acerca de si permitiría que la información excediera c, y de todas formas, pareciera no permitir que partículas con masa distinta de cero puedan viajar más rápido que la luz.
Existen teorías especulativas que dicen que la inercia se produce por la masa combinada del universo (el Principio de Mach, por ejemplo), lo cual implica que el universo quieto (en oposición al movimiento inercial de las demás cosas que hay en él) es "preferido" para llevar a cabo mediciones comunes de las leyes de la naturaleza (en otras palabras, que las leyes parecen ser como son porque las medimos en el contexto del marco de referencia escogido, en este caso, el universo).
Si esto se confirma, implicaría que la relatividad especial es una aproximación a una teoría más general, pero como por definición, esta confirmación se daría únicamente fuera del universo observable, es difícil (por ponerlo de alguna manera) imaginar, y mucho más difícil construir experimentos que comprueben esta hipótesis.
[editar] Opción E: Ir a un lugar donde la relatividad especial no aplique
Una opción muy popular en películas, juegos, series y novelas de ciencia ficción es asumir la existencia de algún otro "lugar" (que usualmente se denomina hiperespacio), al que se puede acceder desde nuestro universo, y en el cual las leyes de la física y relatividad son distorsionadas, manipuladas o incluso no existen, lo cual facilita el transporte rápido entre puntos distantes del universo sin necesidad de usar mucha energía o impulso para tal fin.
Para lograr este viaje, a menudo se asume que en el hiperespacio no aplica la relatividad especial, o que lo que en nuestro universo son 2 lugares muy lejanos, en este otro lugar pueden perfectamente ser sitios muy próximos.
Lamentablemente, este planteamiento aún no ha sido propuesto de forma seria por ninguna rama de la ciencia, aunque por otra parte tampoco se ha podido descartar su existencia de forma teóricamente concluyente.
[editar] Opción F: Ir más rápido sin acelerar
A menudo se asume de forma implícita, que para acelerar algo más allá de c, primero se debe de pasar por c (algo así como decir que para ir a 100km/h, primero hay que ir a 99km/h), encontrando el problema de necesitar infinita energía. La energía necesaria para acelerar llega a formular una asíntota al acercarse a la velocidad de la luz.
De forma parecida a la idea de los agujeros de gusano, puede existir un método para cambiar de velocidad de forma instantánea (o sea, sin acelerar). Entonces, un objeto yendo a más que c sólo podría necesitar energía comparable a la de un objeto que va a menos que c. El problema reside en cómo "convencer" a las partículas (y al ser humano que las "pilotee") a moverse más rápido que la luz sin acelerar.
Este escollo (cambios instantáneos de velocidad) se ha superado actualmente.
[editar] Opción G: Tejido Espacio-Tiempo
Contrario a la creencia popular, Einstein nunca dijo que era imposible exceder la velocidad de la luz, sino que esto fue inferido de sus ecuaciones. Sin embargo, él no tuvo objeciones aceptando que el tejido espacio-tiempo puede ir más rápido que la luz.
Se hipotetiza que al ser creado el universo, el tejido espacio-tiempo viajaba más rápido que la luz. Por ende, si pudiéramos manipular dicho tejido, podríamos exceder la velocidad de la luz. Miguel Alcubierre teoriza que es posible "combar" el espacio-tiempo encogiéndolo frente a uno mismo, y expandiéndolo detrás de uno. Desafortunadamente, tal combamiento necesitaría la emisión de energía negativa, que no se ha descubierto o creado aún..
[editar] Taquiones
En relatividad especial, aunque es imposible acelerar un objeto hasta la velocidad de la luz, o para objetos con masa distinta de cero el poder viajar a tal velocidad, no es imposible que exista un objeto que siempre viaje más rápido que la luz. Estas partículas hipotéticas se llaman taquiones, y su existencia no ha sido probada ni refutada.
Si bien tales partículas nunca han sido observadas, están presentes en numerosas teorías de la física:
- Aparecen en el modelo estándar de interacción en la física de partículas
- E incluso en la teoría de supercuerdas
En cada uno de estos ejemplos, uno ve que los taquiones tal vez no sean concebidos tanto como una partícula, sino como una "desestabilización" de la teoría.
[editar] Relatividad general
La relatividad general se desarrolló con posterioridad a la teoría especial de la relatividad para incluir en ella conceptos tales como la gravedad. Mantiene, tal como ésta, la imposibilidad de los objetos de acelerar a la velocidad de la luz dentro del marco de referencia de cualquier observador local. Sin embargo, admite distorsiones en el espacio-tiempo tales que permitirían a un objeto moverse más rápido que la velocidad de la luz, desde el punto de vista de un observador distante. El motor de Alcubierre se aprovecha de una de estas distorsiones, produciendo una ruptura en forma de onda en el espacio-tiempo, permitiéndole a la partícula surfearla, es decir, moverse con ella y aprovechar su velocidad, sin necesidad de acelerar por sí misma a la velocidad de la luz. Otra forma teórica de aprovecharse de este tipo de distorsiones es usando un agujero de gusano, que conectaría dos puntos distantes en el espacio de tal forma que quedaran conectados por un atajo. Ambas formas requerirían la creación de una curvatura extrema en una región muy específica del espacio-tiempo, con lo que el campo gravitacional generado en tal sitio sería inconmensurable, generando fuerzas de marea de tal magnitud que destruirían cualquier objeto lo suficientemente cerca. Para contrarrestar la naturaleza inestable de tales campos y prevenir que las distorsiones colapsen bajo su propio 'peso', sería necesario introducir en ellos materia exótica o energía negativa.
La relatividad general especula con que cualquier técnica usada para viajar más rápido que la luz, también permitiría viajar en el tiempo. Y como consecuencia, sería posible, aunque teóricamente, violar el principio de causalidad. Muchos físicos afirman que los fenómenos descriptos más arriba son, de hecho, imposibles, y que las futuras teorías de la gravedad (ver TGU o Teoría de la Gran Unificación), prohibirían tales violaciones. Una teoría concluye que la existencia de agujeros de gusano estables es posible, aunque cualquier intento de usar una red de ellos para violar el principio de causalidad resultaría en su colapso. En la teoría de cuerdas o supercuerdas, Eric Gimon y Petr Hořava[1] discuen si en un universo de Gödel supersimétrico de cinco dimensiones, las correciones cuánticas a la teoría general de la relatividad efectivamente separan del espacio-tiempo a aquellas regiones que contienen curvaciones temporales violatorias del principio de causalidad. En particular para la teoría cuántica, existe un supertubo imperfecto que corta el espacio-tiempo conocido de tal forma que impide la existencia de una curva cerrada en el interior del mismo.
[editar] Aparentemente más rápido que la luz
[editar] Movimiento relativo
Un observador puede concluir incorrectamente que dos objetos se están moviendo más rápidamente que la velocidad de la luz, si de manera errónea suma ambas velocidades de acuerdo con los postulados de la física newtoniana.
Por ejemplo, si tomamos dos partículas aceleradas ubicadas cada una en un extremo de un acelerador de partículas circular o sincrotrón, aparecerían para un observador inmóvil respecto del mismo, así como para cualquiera que sumara las velocidades de aquellas conforme los postulados de la física Newtoniana, como moviéndose apenas por debajo del doble de la velocidad de la luz. Sin embargo, si el observador conoce la teoría especial de la relatividad y compone las velocidades conforme ésta, concluirá correctamente que:
para dos partículas moviéndose a β y − β respectivamente, donde
y
,
entonces desde el punto de vista del observador, la velocidad relativa Δβ (usando la velocidad de la luz c como unidad) resulta
,
que es menor que la velocidad de la luz.
[editar] Velocidad de fase superior a c
La velocidad de fase de una onda puede, en algunas circunstancias especiales, exceder la velocidad de la luz en el vacío[1]. Sin embargo, esto no implica que la señal se propague a una velocidad superior a c. En la mayoría de los medios ópticos, el índice de refracción es mayor que la suma de todas las longitudes de onda, manteniendo así la velocidad de fase por debajo de la velocidad de la luz.
[editar] Velocidad de grupo superior a c
Por otro lado, la velocidad de grupo de una onda (por ejemplo un rayo de luz), puede superar fácilmente la velocidad de la luz. En estos casos, en los que típicamente se produce una rápida atenuación de la intensidad, el máximo de la envolvente de un pulso puede viajar a una velocidad superior a c. Sin embargo, ni siquiera esta situación implica una propagación de señal por sobre c, aún viéndose uno tentado a asociar pulso máximo con señal. Esta asociación se ha probado engañosa, básicamente porque la información recibida al llegar un pulso se puede obtener antes que llegue el pulso máximo.
