Viaje instantáneo

Mario Manzanares-AAA

La luz es energía pura bajo la forma de lo que llamamos radiaciones electromagnéticas, que viajan dispuestas en pequeños fragmentos denominados fotones.
En nuestro universo, la luz viaja en el vacío a una velocidad de ≈ 300.000 km/s.
Por definición se conoce dicho valor como el de “la velocidad de la luz”, y se la utiliza como una unidad física.
Tiene además la destacada característica de ser un valor absoluto, que no cambia cualquiera sean las circunstancias.
Esa velocidad no es algo propio y exclusivo de la luz (las ondas gravitacionales por ejemplo, se desplazan a la misma velocidad), sino que es una propiedad de la arquitectura misma de nuestro universo. Es esa arquitectura la que fija esa velocidad como un límite insuperable.
Su carácter inmutable tiene consecuencias verdaderamente increíbles.
Tomemos como ejemplo la Galaxia de Andrómeda.
Dista de nosotros 2,5 millones de años luz.
Ello significa que la luz tarda, a la velocidad de 300.000 km/s, 2 millones y medio de años en viajar desde ella hasta nuestros ojos.
En otras palabras, la imagen que nos muestra nuestro telescopio es la de cómo lucía esa galaxia hace 2,5 millones de años.
Deberán transcurrir otros 2,5 millones de años para que un nuevo observador si lo hay para entonces, la vea tal cual es hoy.
Los rayos de luz que la galaxia emitió vieron sus ondas estirarse junto al universo en expansión, y correrse sus líneas de absorción hacia el extremo de menor energía de su espectro (rojo) en un grado que hoy, al ser medido, nos permite calcular la distancia a la que se hallaba.
Para nosotros aquí en la Tierra, que nos movemos a velocidades muy por debajo de la velocidad de la luz, la luz emitida por la galaxia viajó un larguísimo tiempo hasta alcanzarnos.
Pero desde el punto de vista del fotón, ese viaje fue instantáneo. Puede decirse que terminó aún antes de haber comenzado.
El universo en que vivimos está desde hace siglos explicado por la física que nos legó Isaac Newton (1643-1727).

Isaac Newton

Sus reglas son claras e intuitivas, sencillas de comprender y exactas.
Para velocidades francamente por debajo de la de la luz, sus fórmulas muestran en forma exacta cómo funciona el universo.
Nos regimos por esas leyes y obtenemos cálculos ciertos con ellas.
El espacio es un enorme teatro vacío en el que acontecen los fenómenos físicos, y el tiempo un fluir hacia adelante marcado por el tic-tac de nuestros relojes.
Dos entidades absolutas y claramente separadas.
Una, una distancia a recorrer; la otra, un fluir continuo desde el pasado hacia el futuro.
Pero la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein (1879-1955) cambió radicalmente este concepto.

Albert Einstein

Espacio y tiempo dejaron de ser absolutos y se volvieron relativos al observador.
Se fundieron además en uno solo, el espacio-tiempo, la cuarta coordenada de un espacio que pasó a tener cuatro en lugar de las tres convencionales.
Sólo la velocidad de la luz permaneció como un absoluto. Sin importar las condiciones es siempre la misma.

1) Velocidad.

Como la velocidad resulta de dividir la distancia recorrida entre el tiempo que tomó hacerlo, si debe permanecer constante será a expensas del espacio y el tiempo, que se vuelven interdependientes.
El universo los sacrifica en aras de mantener incambiada la velocidad de la luz. En ese contexto, la relatividad establece que a medida que la velocidad aumenta, el tiempo se ralentiza.
Poseemos una cierta cantidad de energía para distribuirla en el espacio y/o el tiempo, ya que estos son uno sólo.
Si permanecemos sentados y quietos, toda la energía se vuelca hacia el tiempo.
No nos movemos en el espacio, pero mientras el tiempo fluye, la entropía aumenta y envejecemos.
Si nos movemos, parte de esa energía se vuelca hacia el espacio, y la cantidad destinada al tiempo necesariamente disminuye, ya que la velocidad de la luz permanece sin variantes.
El tiempo se ralentiza en consecuencia.
No se trata de una ilusión ni de un truco matemático.
Esta ralentización fue comprobada experimentalmente por el físico Joseph Hafele (1933-2014) y el astrónomo Richard Keating (1941-2006) en octubre de 1971. Relojes atómicos extremadamente precisos, capaces de no perder más de 1 segundo cada 30 millones de años, fueron colocados en aviones que volaron alrededor del mundo, uno hacia el este y el otro hacia el oeste, y marcaron un tiempo que transcurrió más lentamente que relojes idénticos dejados en tierra.

Joseph Hafele y Richard Keating en 1971

Las ganancias y pérdidas de tiempo observadas (en nanosegundos) coincidieron con las predicciones relativistas dentro de la precisión de aproximadamente el 10% esperada para el experimento.
En la vida diaria ello también ocurre, pero los valores son insignificantes ya que nos desplazamos muy por debajo de la velocidad de la luz (el reloj de un viajero que vuele de Londres a Nueva York marcará una diezmillonésima de segundo menos que uno que quede en tierra).
Pero a medida que nos acercamos a la velocidad de la luz, las cosas cambian.
Cuando ello ocurre, el tiempo se ralentiza en forma exponencial.
Al 99 % de la velocidad de la luz el tiempo se vuelve 7 veces más lento.
Al 99,99 % de la velocidad de la luz el tiempo se hace 31 veces más lento.
Al alcanzar el 99,9999999 % de la velocidad de la luz el tiempo es ya 22.000 veces más lento
A la velocidad de la luz, toda la energía se vuelca hacia el espacio.
¿Y el tiempo? El tiempo se detiene.
Para un objeto con masa alcanzar esa velocidad es imposible, porque requeriría de energía infinita.
Pero el fotón no tiene masa, es energía pura en constante movimiento, a 300.000 km/s.
Desde el punto de vista del fotón, desplazándose a una velocidad a la que el tiempo no corre, su salida y llegada son simultáneas. No hubo desplazamiento, los 2,5 millones de años luz no existieron jamás.
Nosotros en cambio, desde nuestra perspectiva de seres que se desplazan lentamente, hemos visto ese fotón hacer un larguísimo viaje que duró 2,5 millones de años.
¿Cómo ocurre tal cosa?
¿Cómo coexisten un desplazamiento de 2,5 millones de años y otro instantáneo, en función de quien lo observe y la velocidad a la que se mueva?
¿Cuál es el correcto?
Ambos.
El universo en sus orígenes fue atemporal.
Todo eran partículas sin masa moviéndose a la máxima velocidad posible, la de la luz.
Pero el desarrollo de ese universo requería de que las partículas que formarían la materia se dotaran de masa.
El precio a pagar fue el tiempo.
Algunas partículas como los fotones permanecieron sin masa, atemporales.
Otras interactuaron con un campo cuántico (campo de Higgs) que las dotó de masa y, de esa fricción cuántica surgió el peso y la obligación de desplazarse a velocidad mucho menor.
Para esas partículas el tiempo comenzó a correr.
Este campo cuántico surgió una fracción de segundo después del Big Bang, durante una transición de fase cósmica llamada “ruptura de la simetría electrodébil”.
El hallazgo de la partícula asociada a este campo (bosón de Higgs) fue comunicado el 4 de julio de 2012. Posee una masa de 125 GeV, unas 130 veces mayor que la del protón. Tiene espín cero y carece de carga eléctrica ni interacción fuerte.
Es de la interacción con él que las partículas obtienen su masa.
En lugar de considerar al universo como un lugar lleno de partículas sólidas aisladas, se lo concibe como conformado por un conjunto de campos invisibles cuyas vibraciones u oscilaciones son experimentadas como materia y energía.
La medición del tiempo, la longitud y otras propiedades físicas del objeto cuando este se mueve a velocidades cercanas a la de la luz, se representa por el llamado factor de Lorentz, calculado por el físico neerlandés Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928).
Este es una magnitud adimensional que se denota con la letra griega gamma (γ) y se calcula como:

1 / √ 1- β²

donde β es la fracción de la velocidad de la luz a la que se mueve el objeto (v / c)
El tiempo adecuado(T0) es el tiempo medido por un observador en reposo respecto del marco de referencia del evento.
El tiempo dilatado (T) es el registrado en cualquier otro marco de referencia.
La relación entre ambos es T = T0 . γ siendo γ el factor de Lorentz.
Como gamma es mayor de 1, para cualquier velocidad distinta de cero el tiempo dilatado será siempre mayor que el tiempo adecuado.
2) Longitud.
Pero no todo queda aquí, aunque ya de por sí sea complejo y sorprendente.
Como dijimos antes, espacio y tiempo dejaron de ser entidades separadas para conformar una sola.
Si la velocidad se mantiene constante, el espacio-tiempo debe dar cuenta de ello.
Y así como el tiempo se ralentiza, el espacio se contrae.
Para nosotros la distancia (espacio) que media hasta la Galaxia de Andrómeda sigue siendo de 2,5 millones de años luz.
Pero a medida que nos desplazamos a velocidades cercanas a la de la luz esa distancia se acorta.
Ese acortamiento se da en la dirección del movimiento desde la perspectiva de un observador fijo.
Viajando al 10% de la velocidad de la luz, la distancia se acorta en un 0,5%.
A velocidad del 90% de la de la luz la distancia se reduce al 44% de lo que era al inicio, y si se viaja al 99% de la velocidad de la luz será apenas el 14% de la distancia inicial.
En esta última instancia será de 0,35 millones de años luz..
Si un objeto tiene una longitud propia L0 cuando está en reposo, un observador que lo vea pasara a gran velocidad medirá una longitud L menor, según la fórmula:

L = L0 / γ

Si dos sistemas de referencia están en reposo relativo entre sí, la velocidad es cero y gamma tiene valor de 1.
Los efectos relativistas desaparecen y la física clásica es suficiente. Pero a medida que nos acercamos a la velocidad de la luz, el denominador de la fracción tiende a cero y gamma tiende a infinito, lo que demuestra que los efectos relativistas se vuelven extremadamente grandes.
El espacio se “comprime” en la dirección del viaje.
A una velocidad del 99,9% de la velocidad de la luz, el factor gamma asciende a 22.3663 y la longitud del objeto se reduce a apenas el 4,47% de la original.
A la velocidad de la luz la contracción alcanza al 100%, y la distancia se reduce a cero.
El fotón hace un viaje instantáneo, sin cubrir distancia ni emplear tiempo.
Para nosotros, poseedores de masa, la velocidad de la luz es inalcanzable.
Somos prisioneros de esa característica propia del espacio-tiempo.
La distancia sigue siendo para nosotros de 2,5 millones de años luz, y el tiempo que el viaje demandaría a la máxima velocidad que una nave puede desarrollar hoy (70.000 km/h) sería 15.428 veces mayor, esto es, 38.570 millones de años.

3) Masa.
Hemos visto dos de las manifestaciones más destacadas de la relatividad, consecuencia de la inmutabilidad de la velocidad de la luz y su repercusión sobre espacio y tiempo.
Hay otro parámetro que se modifica por ello: la masa del objeto.
Nuevamente, ello no afecta al fotón que carece de masa, y puede entonces desplazarse a 300.000 km/segundo.
Pero para nosotros implica otro escollo insalvable.
A medida que nos acercamos a la velocidad de la luz, la masa del objeto aumenta.
Nuevamente entra en juego el factor de Lorentz, bajo la forma:

Movimiento lineal (p) = γ . m . v

(La energía total se calcula E = γ . m . c² que se simplifica como E = m . c² cuando el objeto está en reposo).
En la física clásica la masa de un objeto era considerada constante e invariable.
Denominada como “masa en reposo”, era una propiedad constante del objeto, independientemente de su velocidad.
Según la física clásica aplicar al objeto una fuerza constante debería aumentar indefinidamente su velocidad.
Empero, cuando los objetos se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz, su energía cinética y momento lineal dejan de coincidir con los resultados experimentales.
Cuando la velocidad aumenta en tales proporciones, γ aumenta y el momento crece mucho más rápido que lo previsto por la física clásica.
En lugar de p = m . v la fórmula pasa a ser p = γ . m . v
Desde el punto de vista relativista, la masa aumenta con la velocidad.
Para obtener la misma aceleración se deberá aplicar cada vez más energía.
Viajando al 10 % de la velocidad de la luz (30.000 km/s) la masa aumenta por un factor de 1,005. Un objeto de 100 kg pesará100,5 kg.
El incremento de la masa es aquí muy pequeño, pero un 10 % de la velocidad de la luz son 1.080.000.000 km/hora, mientras que la nave más veloz creada por el ser humano alcanza apenas a desarrollar 70.000 km/h.
Al 90 % de la velocidad de la luz (270.000 km/s) ese factor se hace 2.294. El objeto pesará 229,4 kg.
Al 99% de la velocidad de la luz (297.000 km/s) tendrá un valor de 7.089. El peso alcanzará 708,9 kg.
Al viajar al 99,99 % de la velocidad de la luz (299.970 km/s) el factor será de 70.711 y el peso del objeto llegará a 7.071 kg.
La relación es tal que al alcanzar el 100 % de la velocidad de la luz la masa se tornará infinita, e igualmente ocurrirá con la energía necesaria para acelerarla.
Los fotones, carentes de masa, observan esta situación sin inmutarse.
Para nosotros, seres prisioneros de ella, alcanzar la velocidad de la luz es un imposible.