Superluminal
Fenómeno más rápido que la luz (también llamado superlumínico) se refiere a la propagación de información o materia a una velocidad superior a c (velocidad de 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 la constante c, aproximadamente 300.000 km/s, que es lo que se definió como velocidad de la luz. Esto no es igual a viajar más rápido que la luz porque:
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.
La propiedad superlumínica se refiere a la capacidad de una partícula o sistema de viajar o ser capaz de enviar información a una velocidad superior a (velocidad de la luz)[cita requerida].
Las partículas hipotéticas con la propiedad superlumínica[cita requerida] se denominan taquiones.
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:
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:
Por esto, parece que sólo existe un limitado número de razones para justificar el comportamiento más rápido que la luz[cita requerida]:
Es la solución más sencilla, y es particularmente popular en ciencia ficción. Evidencia empírica[¿cuál?] 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[cita requerida], dado que es incompatible con la mecánica cuántica[aclaración requerida].
La relatividad especial es fácilmente incorporada en la teoría cuántica de campos (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[aclaración requerida].
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[cita requerida], 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[cita requerida]. 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 [¿cuál?]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[cita requerida].
Las ecuaciones de Einstein acerca de la relatividad especial supone 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[cita requerida]. Sin embargo, al considerar que hay dos 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 suponer que exista homogeneidad en el universo[cita requerida].
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.
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[cita requerida], pero es considerada una propiedad básica del universo, que no puede ser obviada. Es por esto que muchos [¿cuántos?]científicos [¿quién?] 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 autoconsistencia de Novikov.
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 [¿cuál?]pone serias dudas sobre esta teoría, algunos científicos[¿quién?] 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.
Una opción muy popular en películas, juegos, series y novelas de ciencia ficción es suponer 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 distintas, pueden ser 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 supone que en el hiperespacio no afecta 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[cita requerida].
A menudo se supone 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 formar 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[aclaración requerida]). 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 "pilote") a moverse más rápido que la luz sin acelerar[aclaración requerida].
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 con su métrica teoriza que es posible "combar" el espacio-tiempo encogiéndolo frente a uno mismo, y expandiéndolo detrás de uno. Desgraciadamente, tal combamiento necesitaría la emisión de energía negativa (véase energía del vacío)[cita requerida] , que no se ha descubierto o creado aún.
Se puede llegar a partes lejanas del universo sin necesidad de ir más rápido que la luz[cita requerida]. El concepto es simple, si distorsionamos el tiempo por el cual viajamos, podemos acelerarlo o disminuirlo a la vez[cita requerida].
Ejemplo: Una nave espacial viaja de la Galaxia A hacia la Galaxia B que está a 150 años luz de distancia. La nave viaja a la velocidad de la luz. Pero nosotros al observar a la nave hacer el recorrido vemos que llegó en solo 1 año.
Lo que sucedió fue lo siguiente, la nave viajó todo el recorrido acelerando el tiempo 150 veces alrededor suyo, de modo que le tomo realmente 150 años llegar a la Galaxia B, pero como solo aceleró el tiempo en su recorrido, para el resto del universo fue como si hubiera viajado 150 veces la velocidad de la luz.
Si bien el viajar acelerando el tiempo parece poco útil, resulta extremadamente importante si dentro de la misma nave el tiempo fue disminuido 150 veces para ir acorde al resto del universo. En pocas palabras, para el piloto y el universo paso 1 año en llegar a la Galaxia B, pero para la nave fueron 150 años.
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:
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.
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 descritos 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 discuten si en un universo de Gödel supersimétrico de cinco dimensiones, las correcciones cuánticas a la teoría general de la relatividad efectivamente separan del espacio-tiempo a aquellas regiones que contienen curvaciones temporales violadoras 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.
En mecánica cuántica, ocurre un conjunto de eventos que hacen crítico al supuesto de c como velocidad máxima absoluta e insuperable; ciertos fenómenos dan la impresión de implicar una propagación instantánea.
Un fotón o un electrón atravesando por el efecto túnel una barrera cuántica puede manifestar un tiempo de travesía más breve que aquel requerido por la luz en una distancia equivalente, estos tiempos son evaluados mediante la observación de la cumbre del paquete de ondas correspondiente, antes y después de la barrera. Teniendo en cuenta el espesor de la barrera de túnel, la cumbre del paquete de ondas está reducida y parece obtener una velocidad superlumínica. Este fenómeno se denomina efecto Hartman o efecto Hartman-Fletcher.
El efecto Casimir es un fenómeno observable a muy pequeña escala, sin embargo es mensurable por su presión sobre placas conductoras, tal presión sobre estas placas conductoras es ejercida por el llamado vacío cuántico (véase: energía del vacío) ubicado entre tales placas; la presión puede ser positiva o negativa según la geometría del dispositivo. En la teoría cuántica de campos el vacío cuántico es supuesto como el lugar de creación y aniquilación de numerosas partículas virtuales. La existencia de condiciones en principio diferentes para el vacío exterior y el interior a las placas implica entonces una diferencia de energía entre las dos la cual es la causa de las diferencias de la presión medida sobre las placas.
Las partículas virtuales son por definición externas a su lecho de masa, lo cual significa que las mismas no satisfacen ya , y son por definición inobservables individualmente aunque su efecto colectivo sea mensurable como sucede en el efecto casimir y en todas las correcciones cuánticas a las observables clásicas de la cuántica de campos.
Se puede también citar la experiencia hipotetizada por Einstein, Podolsky y Rosen (paradoja EPR) que parece haber sido concretada experimentalmente por Alain Aspect en 1981 y 1982. En este caso, la medida del estado de uno de los sistemas cuánticos entrelazados de un par de ellos impone al otro sistema (de otra medida) un estado complementario. A partir de ello funciona lo que se ha dado en llamar una "teleportación cuántica" . Entre los avances más importantes en esta cuestión se pueden citar los del equipo dirigido por el austríaco Rainer Blatt en la Universidad de Innsbruck y del estadounidense David Wineland del National Institute of Standards and Technology, en Boulder, Colorado), ellos habrían realizado la teletrasportación o teleportación cuántica de un átomo completo de materia bariónica (iones de calcio en el primero de los experimentos y de berilo en el segundo). Esto permitiría muy numerosas aplicaciones en informática cuántica concernientes a la paradoja EPR. Por su parte el premio "Sciences" de la ciudad de Ginebra fue dado por sus hallazagos al profesor Nicolas Gisin en noviembre de 2006 por sus trabajos al respecto (Gisin afirma haber superado la velocidad c), aunque tal afirmación es aún dudosa.
La experiencia de Marlan Orvil Scully también realizada por B.G.Englent y H.Walther, motivo por lo que se le llama también Experiencia ESW, es una variante de la paradoja EPR en la cual la observación, o no, de un patrón de interferencia luego del pasaje de un fotón a través de una hendidura de Young depende de las condiciones de observación de un segundo fotón correlativo al primero . La particularidad de esta experiencia está en que la observación del segundo fotón puede tener lugar en un futuro "lejano" en relación a la observación del primer fotón lo que da la impresión de que la observación del primer fotón "informa" sobre un evento que tiene lugar en el futuro.
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 y 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.
La velocidad de fase de una onda puede, de manera rutinaria, 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.
Por otro lado, la velocidad de grupo de una onda (por ejemplo un rayo de luz), puede superar la velocidad de la luz bajo ciertas circunstancias especiales. 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 encima de 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.
En 2000 la revista Nature publicó un resumen de los resultados de un experimento, de Lijun J. Wang y su equipo del Instituto de Investigación NEC en Princeton (Nueva Jersey), que mostraba que la velocidad la luz en forma de paquetes o pulsos puede, en condiciones muy especiales, sobrepasar 310 veces su velocidad de fase límite de 300.000 kilómetros por segundo, establecido en la teoría de la relatividad especial de Einstein. Conviene aclarar que dicho resultado no viola la causalidad física, ya que la velocidad de grupo no corresponde a la velocidad de propagación real de los fotones, que siempre se mueven a una velocidad igual a c:
Según la explicación del equipo que llevó a cabo el experimento, los pulsos superlumínicos son el resultado de mecanismos clásicos de interferencia debidos a la naturaleza ondulatoria de la luz y no se transmite información alguna (señal) a velocidad superior a c.