Eduardo nos pregunta:
Hola amigos de CPI. Primero deciros que mi nivel de física se quedó en lo estudiado en el instituto hace mas de 20 años. Y ahora mi consulta:
Según tengo entendido, la teoría de la relatividad dice que no es posible superar la velocidad de la luz. Un agujero negro es una zona del espacio donde nada (ni siquiera la luz) es capaz de salir. Entonces, si un haz de luz pasa cerca de un agujero negro, este estará interferido por dicho agujero y pueden pasar dos cosas, 1-que se aleje del agujero y por lo tanto disminuye su velocidad, o 2- se acerque al agujero y se acelere; pero si ya va a la máxima velocidad esto no seria posible.
Entonces ¿es posible superar la velocidad de la luz?
Gracias y saludos a todos.
Eduardo, tu afirmación inicial es correcta: no es posible superar la velocidad de la luz. Al menos, no es posible para nada que tenga masa en reposo o que transmita información. Si encontrásemos algo que superara la velocidad de la luz, entonces deberíamos encontrar también una teoría mejor que la Relatividad para explicarlo. Pero hay algo más: la luz siempre va a la velocidad de la luz. No puede aumentarla, como bien dices , ni tampoco disminuirla.
Comencemos con una pequeña disquisición sobre agujeros negros (muy breve y levemente imprecisa, para ampliarla otro día, que si no no llegamos a donde vamos). Un agujero negro, según la visión de la física clásica (prerrelativista), es un objeto con mucha masa o bien con una masa normal, de infantería, pero con un tamaño muy reducido, de tal modo que su velocidad de escape sea igual o mayor que la de la luz. La velocidad de escape se define como la velocidad a la que habría que lanzar una piedra hacia arriba para que nunca más cayera (despreciando rozamientos con el aire, etc.). Se puede hacer, pero en la Tierra habría que:
a) Quitar todo el aire del planeta.
b) Lanzar la piedra hacia arriba a algo más de 11 kilómetros por segundo (~40.000 km/h).
Una de los dos anteriores condiciones provocaría protestas por parte de Greenpeace, así que no se ha intentado. En Baco
(un pequeño asteroide del cinturón que hay entre Marte y Júpiter, que se llama como nuestro admirado forero Nuke Baco), sin embargo, un astronauta cachas podría lanzar una piedra y que no volviera, pues la velocidad de escape es de sólo 0,8 metros por segundo. Así pues, si encontramos un cuerpo cuya velocidad de escape sea mayor que la de la luz, nada saldrá de él, ni siquiera la luz. Por eso los agujeros negros son negros. El término que escogieron los rusos para estos objetos fue el de “estrellas congeladas”, pero el término de “agujero negro”, acuñado por John WHeeler, de la U. de Texas, fue el que cuajó. Wheeler, por cierto, ayudó a Carl Sagan a encontrar un método rápido de viaje por el Universo que fuera consistente con la Relatividad: los agujeros de gusano. Sagan necesitaba algo que no fuera el “salto al hiperespacio” para su novela Contact, y acudió a Wheeler. La novela, por cierto, se la recomiendo encarecidamente.
Si comprimiéramos la Tierra hasta hacerla del tamaño de una canica (1 cm de radio), se convertiría en un agujero negro. ¿Y qué le pasaría entonces a la Luna? Nada. Seguiría orbitando en torno a la Tierra como si tal cosa. Y es que los agujeros negros son objetos con masa, que gravitan como todos los demás. Según nos vamos acercando a la Tierra, la gravedad va creciendo. Y según nos alejamos va disminuyendo. El único comportamiento extraño de un agujero negro tiene lugar cuando nos acercamos al horizonte de sucesos (1 cm en nuestra Tierra winzipeada). Si traspasamos ese umbral, nunca podremos salir. Pero fuera de él se cumplen las leyes de Newton, mejor cuanto más lejos, y se puede orbitar alrededor de un agujero negro, siempre que no metas la patita en el interior del horizonte de sucesos (o saldrías en la sección de ídem).
Volviendo a tu pregunta, lo que dice la Relatividad es que nada salvo la luz puede alcanzar la velocidad de la luz. Es decir, que si ahora te mueves más despacio que la luz, siempre lo harás. Pero existen partículas hasta ahora nunca detectadas, uséase hipotéticas, llamadas taquiones (por la palabra griega para “velocidad”), que siempre se moverían más rápido que la luz, siéndoles imposible moverse más despacio que ésta. Son una de las soluciones de las ecuaciones, pero de momento parece que no los tenemos con nosotros. Según la Relatividad, si consiguiéramos una fuente de estas partículas, las detectaríamos antes de que fueran enviadas, lo cual genera multitud de problemas sobre causalidad y temas afines (¿sería posible enviar un mensaje que retrocediera en el tiempo y alcanzara a Julio César para que no se fuera a mear con su sobrino Bruto aquel día?). Otros autores proponen que serían imposibles de usar como fuente de transmisión de información, por lo que seguiría sin violarse la causalidad. Pero estamos en el terreno de lo hipotético. Vayamos a nuestra querida luz.
El caso es que según todas nuestras observaciones, la luz siempre se mueve a la velocidad de la luz. Entonces,
– ¿Qué pasa si enciendo una linterna justo un poquito por fuera del borde (recordemos: “horizonte de sucesos”) de un agujero negro, con la luz apuntando hacia fuera? Pues que la luz saldría, y se movería a la velocidad de la luz.
– Pero la luz necesita un montón de energía para salir de un agujero negro, ¿no? Una nave debería quemar un montón de combustible para conseguir salir de ahí… En efecto. Y por eso la luz que debe salir de un campo gravitatorio pierde energía. Pero no velocidad. La energía de un fotón (partícula de luz) es proporcional a su frecuencia. Y la frecuencia es lo que normalmente identificamos con el color en la luz visible. La luz azul tiene más energía (y por tanto mayor frecuencia) que la luz roja. Y los rayos X tienen más energía que las ondas de radio:
Espectro electromagnético. La escala de unidades de la izquierda no muestra frecuencias sino longitudes de onda, es decir, las distancias entre, por ejemplo, dos valles o dos crestas de la onda. A mayor frecuencia, menor longitud de onda, y viceversa. A toda la radiación del espectro se le suele llamar “luz”, aunque lo que habitualmente conocemos como luz sea esa pequeña franja que llamamos consecuentemente “luz visible”.
Lo que le sucede a la luz que pierde energía no es que disminuya su velocidad, sono que es que va perdiendo frecuencia. Si enciendes una linterna de rayos X cerca de un agujero negro y apuntando hacia fuera, un observador lejos del agujero verá que la radiación que le llega no son rayos X sino, pongamos, luz azul o microondas, que son mucho menos energéticas. Le llegarán, eso sí, a la velocidad de la luz.
Entre los experimentos elegantes de la historia, hay uno, el experimento de Pound-Rebka
que se hizo en una torre de veintidós metros en Harvard. Desde la base se lanzaba hacia arriba un haz láser de luz, y en la azotea había un detector formado por un material que sólo absorbía una frecuencia determinada de radiación. Cuando se ajustaba al detector para que abajo sólo absorbiera la radiación original, al subirlo a la azotea ¡no detectaba nada! eso significaba que la frecuencia de la luz emitida no era la misma en el suelo que en la azotea. Siguiendo las ecuaciones de la Relatividad, se modificó la frecuencia de absorción del material y empezó a detectar la luz justo en la frecuencia predicha por las ecuaciones de Einstein (un poco menor, pues la luz había perdido energía). O sea, que al escapar de un campo gravitatorio, no hace falta que sea el de un agujero negro, la luz pierde energía, pero no velocidad. La velocidad de la luz es siempre la misma.
Del mismo modo, si la luz se acerca a un agujero negro, iría ganando energía, pero no velocidad. Se “azularía”, pero seguiría yendo a su cómoda velocidad de siempre, 299.792.458 m/s.
Recientemente se ha publicado un artículo
en el que se postula que la velocidad de la luz ha cambiado desde la creación (aparición) del Universo. Este cambio en la velocidad de la luz a lo largo de las tiempos no contradice nada de lo anteriormente dicho: en cualquier instante dado de la historia de nuestro Universo, y siempre que la Relatividad sea cierta, que a estas escalas no microscópicas parece que lo clava, ningún objeto con masa puede haber superado la velocidad de la luz.
Esta misma semana hablaremos de nuevo de la velocidad de la luz, uniendo varias consultas similares de algunos lectores.