¿Los viajes espaciales extraterrestres están limitados por la velocidad de la luz?
Sin agujeros de gusano, motores warp o algún tipo de materia, energía o física nueva, todos estamos limitados por la velocidad de la luz. ¿O son?
Cuando hablamos de la distancia a los objetos cósmicos (estrellas distantes, galaxias, quásares y más), normalmente los medimos en años luz. Esto se debe a la comprensión de que cualquier forma de materia, independientemente de lo que le hagas o de cuánta energía cinética le añadas, sólo puede aproximarse, pero nunca alcanzar, un límite de velocidad máxima establecido por las propias leyes de la física: la velocidad de la luz. Sólo entidades sin masa, como fotones, gluones y ondas gravitacionales, pueden alcanzar esa velocidad máxima de 299.792.458 m/s a través de la estructura del espacio, mientras que todo lo demás está condenado a viajar más lentamente y nunca podrá alcanzar esa velocidad mientras esté quieto. obedeciendo las leyes de la física.
¿Significa eso necesariamente que incluso las especies alienígenas más avanzadas imaginables, incluyéndonos a nosotros arbitrariamente en un futuro lejano, serán incapaces de viajar por el espacio de una manera más veloz y rápida? Esa es la pregunta enviada por Stephen Johnson, quien pregunta:
“¿Podemos asumir con seguridad que los viajes espaciales extraterrestres están limitados por la velocidad de la luz? Esto está integrado en suposiciones sobre cómo podrían viajar los extraterrestres. (Obviamente, existen alternativas de ciencia ficción altamente especulativas: agujeros de gusano, etc.) ¿Pero es arrogante declarar con confianza que los extraterrestres están limitados por un “límite de velocidad cósmica”, dada la larga historia de descubrimientos que trastornan el pensamiento científico?
Aunque la expectativa conservadora es que sí, que la velocidad de la luz es un límite insuperable, hay un par de muy buenas razones para creer que tal vez pueda haber una manera de evitarlo. Quizás, incluso sin invocar una nueva ley de la física, la velocidad de la luz no establezca el límite final después de todo. Así es cómo.
movimiento convencional
Cuando la mayoría de nosotros pensamos en viajar de un punto a otro, pensamos en viajar hasta allí a lo largo de la distancia más corta posible: en línea recta. Si desea minimizar el tiempo de viaje, tomará el camino más corto y se moverá lo más rápido posible, lo cual tiene sentido no sólo en escenarios de movimiento convencionalmente no relativistas (es decir, newtoniano o galileano), sino también si incluimos el movimiento especial de Einstein. relatividad.
Las reglas de la relatividad especial son un poco contradictorias, ya que establecen que el movimiento, los tiempos y las distancias son relativos entre todos y cada uno de los observadores, y que no existe un movimiento, tiempo o distancia «absoluto» que pueda medirse. en el que todos los observadores estarán de acuerdo. Lo único que es absoluto, quizás extrañamente, es la velocidad de la luz, que todos los observadores medirán siempre para tener el mismo valor: 299.792.458 m/s.
Puedes imaginarte acelerándote en una nave espacial a un ritmo constante, cada vez más rápido como quieras, sin ningún final, a medida que avanzas desde tu punto de partida hasta tu destino. Pero si aceleraras a la misma aceleración que experimentamos aquí en la Tierra, 9,8 m/s², durante 12 meses lunares completos (354 días), no alcanzarías la velocidad de la luz, a pesar de acelerar durante 30.591.070 segundos completos, aunque, matemáticamente, 30.591.070 s × 9,8 m/s² = 299.792.458 m/s.
Esto se debe a que no puedes simplemente agregar velocidades como estás acostumbrado. Si viajas a +15 m/s y lanzas una partícula hacia adelante a otros +15 m/s, es de esperar que la partícula, en relación con alguien en el suelo y en reposo, parezca moverse a +30 m. /s, como 15 + 15 = 30. Sin embargo, si estuvieras viajando a +150.000.000 m/s y disparaste una partícula hacia adelante a otros +150.000.000 m/s, esa partícula no parecerá moverse a +300.000.000 m/s. relativo a alguien en reposo; sólo lo verían moviéndose a aproximadamente +240.000.000 m/s, ya que las velocidades deben sumarse sólo de manera relativista , no según las reglas convencionales galileanas/newtonianas.
De hecho, si aceleraras constantemente, a 9,8 m/s², hacia cualquier objeto astronómico distante, descubrirías que nunca alcanzarías la velocidad de la luz, sino que sólo te acercarías a ella desde abajo. Descubrirías que seguías moviéndote cada vez más rápido, y que tu destino seguía acercándose cada vez más (y además, la luz del mismo aparecería cada vez más desplazada hacia el azul a medida que alcanzabas velocidades cada vez mayores), pero eso cada fotón que emitiste todavía:
- se movía a la velocidad de la luz, en relación contigo,
- movido a la velocidad de la luz, en relación con su fuente y su destino (y todos los demás),
- y recibió sólo un cambio en la longitud de onda, no en la velocidad, debido a su movimiento cuando lo emitió.
Sin embargo, dos cosas cambiarían dramáticamente para usted en su viaje relativista (es decir, cercano a la velocidad de la luz): la forma en que experimentó las distancias y los tiempos en relación con alguien que permaneció en reposo, ya sea en la fuente, el destino o en cualquier otro punto a lo largo de su viaje.
- Se observaría que las distancias, en lugar de fijarse entre dos puntos cualesquiera, se contraen a lo largo de la dirección del movimiento. Este fenómeno de contracción de longitud lleva el nombre de los científicos George FitzGerald y Hendrik Lorentz , quienes lo entendieron por primera vez incluso antes de que apareciera la relatividad especial de Einstein.
- El tiempo, en lugar de parecer pasar al mismo ritmo para todos en todas partes, es relativo, observándose que el tiempo se dilata entre el viajero espacial en movimiento en relación con el origen y el destino, mientras que los relojes parecen correr más lento para el observador en movimiento. respecto a los estacionarios.
Mientras que alguien que permaneció en el mismo lugar en el que comenzó, como el punto de origen o el punto de destino, continuaría envejeciendo normalmente, alguien que viajó a través de una cantidad significativa de espacio durante ese mismo intervalo experimentaría un paso de tiempo más corto. y la cantidad en que fuera más corto dependería completamente de qué tan cerca se acercaran a la velocidad de la luz durante su viaje. Cuanto más rápido vas, menos tiempo pasa para ti, el viajero, pero según lo medido por un observador ya sea en el origen o en el destino, al menos tanto tiempo como el que le tomaría a un rayo de luz viajar de aquí a allá. Se requiere que un viajero espacial recorra la misma distancia.
movimiento taquiónico
Por supuesto, todo esto es para materia normal y antimateria: partículas que tienen una masa real positiva. Debido a la ecuación más famosa de Einstein, E = mc² , también sabemos que cualquiera que sea la masa ( m ) de una partícula simplemente describe una forma específica de energía ( E ) que posee: su energía de masa en reposo. Hay otras formas de energía que también pueden ser inherentes a una partícula (o antipartícula), incluida, muy famosa, la energía cinética o la energía del movimiento. De hecho, aunque escribimos E = mc² rápida y fácilmente, y a menudo sin pensarlo mucho, resulta que es sólo la mitad de la ecuación que describe la energía de una partícula: la mitad que se aplica sólo si la partícula en cuestión está en reposo. Para una partícula en cualquier tipo de movimiento genérico, la verdadera ecuación es la siguiente:
mi = √ ( m²c⁴ + p²c² ),
donde E es la energía, m es la masa en reposo, c es la velocidad de la luz y, en el término que normalmente no se ve escrito, p es el momento de la partícula. Normalmente, para todas las partículas conocidas, su masa en reposo puede ser positiva (para cosas como quarks y antiquarks, neutrinos y antineutrinos, leptones y antileptones cargados, etc.) o cero (para partículas sin masa como el fotón, el gluón o las ondas gravitacionales). cuyo análogo cuántico sería el gravitón). Pero existe otra posibilidad que aún podría existir dentro de este Universo: partículas con masa imaginaria , donde el número imaginario i se define como √ (-1).
Si tienes una masa imaginaria, entonces la ecuación E = √ ( m²c⁴ + p²c² ) puede darte un número negativo si tu impulso es lo suficientemente bajo; Se puede tener un estado de energía negativo para este hipotético tipo de partícula, que se conocería como taquión.
Aunque no se ha demostrado que existan los taquiones, tienen una propiedad extremadamente extraña y contraria a la intuición: cuanta más energía se pone en un taquión, más y más se acerca a la velocidad de la luz, al igual que la materia normal. Sólo que, en el caso de un taquión, se acerca a la velocidad de la luz desde arriba, en lugar de desde abajo. En otras palabras, el taquión que se mueve más lento y la partícula de masa positiva que se mueve más rápido se acercan a la misma velocidad que en realidad nunca podrán alcanzar: la velocidad de la luz.
Si tienes una partícula de masa positiva y le quitas cada vez más energía cinética, su velocidad cae y puede caer hasta cero si no tiene energía cinética (o impulso) en absoluto. Pero para un taquión, es decir, una partícula de masa imaginaria , cuanto más energía cinética se elimina, más rápido va: hasta una velocidad infinita para una partícula taquiónica sin energía cinética (o impulso) inherente a ella en absoluto. . Aunque no hay evidencia de que los taquiones puedan existir (o existan), descubrir la capacidad de manipular cualquiera de ellos:
- estado de energía negativa,
- o cualquier estado de masa imaginario,
permitiría repentina y definitivamente la posibilidad de viajes espaciales más rápidos que la luz.
Posibilidades relativistas generales.
Muy bien, entonces tal vez tengas buenas razones para pensar que los taquiones no existen, y que aunque hay una cantidad de energía positiva, distinta de cero, inherente a la estructura del espacio mismo ( energía oscura ), es posible que no puedas hacerlo físicamente. logra un verdadero estado de energía negativa, sin importar lo que hagas. ¿Significa eso que, si no hay taquiones, viajar más rápido que la luz es realmente imposible?
La respuesta es “no necesariamente”, ya que sólo prohíbe viajar más rápido que la luz en la relatividad especial, no general. La idea clave de la relatividad general, recuerde, es que no sólo el espacio y el tiempo son relativos al observador, sino que el tejido subyacente de ambos unidos -el tejido del espacio-tiempo- está distorsionado por la distribución de materia y energía en todas partes. en todo el espacio en todos los momentos del tiempo. En el panorama relativista general:
- cada masa en el Universo curva la estructura del espacio-tiempo,
- cada cuanto de energía curva el tejido del espacio-tiempo,
- El tejido del espacio-tiempo no es fijo, pero puede expandirse o contraerse.
- y las ondas gravitacionales se propagan a través del espacio-tiempo a pesar de no tener masa propia, moviéndose a la velocidad de la luz y generadas por cualquier cuanto masivo que se mueva a través de una región de curvatura cambiante del espacio-tiempo.
Aunque la mayoría de los objetos astrofísicos (como las estrellas y los planetas) del Universo distorsionan la estructura del espacio-tiempo sólo en una cantidad muy pequeña, hay unos pocos objetos que pueden generar enormes curvaturas del espacio-tiempo, como los agujeros negros.
Si el espacio-tiempo se curva lo suficientemente severamente no solo en un lugar, sino en múltiples lugares dispares, es posible imaginar que una región de curvatura severa podría conectarse con otra, dando lugar a lo que se conoce coloquialmente como un agujero de gusano o un puente Einstein-Rosen . En lugar de tener que viajar a través de las vastas distancias cósmicas que separan estos dos lugares, podría ser posible (especialmente si se puede estabilizar el agujero de gusano, permitiendo que la materia pase a través de él sin ser desgarrada por las fuerzas de marea gravitacionales) enviar material real, incluyendo una nave espacial entera, en un atajo a través de un agujero de gusano para ir de un origen a un destino más rápido de lo que permitiría incluso la velocidad de la luz si se tomara el camino más largo.
También existen otras posibilidades sobre cómo viajar más rápido que la luz dentro de la relatividad general. Si tuvieras una fuente de energía negativa (no necesariamente absolutamente negativa, como era necesaria para un taquión, sino simplemente negativa en relación con la energía (positiva) del punto cero del espacio vacío), podrías usar una mezcla de energía positiva (frente a la nave espacial) y la energía negativa (detrás de la nave espacial) para distorsionar la estructura del espacio de una manera particular:
- comprimiéndolo delante de la nave espacial,
- enrarecerlo (es decir, anticomprimirlo) detrás de la nave espacial,
- todo ello teniendo en el medio una región estable y no destructiva similar a una burbuja, donde podría existir una nave espacial.
Este es un mecanismo físicamente plausible para crear posiblemente la idea de viaje más rápida que la luz de todas: el motor warp de Star Trek .
De hecho, cualquier fuente de antigravitación nos permitiría crear un motor warp o permitir viajes más rápidos que la luz mediante múltiples mecanismos inteligentes. Muchos teóricos, tal vez entusiasmados por esta posibilidad, habían señalado a lo largo de los años 1990, 2000 y 2010 que el comportamiento gravitacional de la antimateria nunca se había medido todavía; Sabíamos que se comportaba como si tuviera masa inercial positiva (la “ m ” en ecuaciones como la F = m a de Newton ), pero no sabíamos cómo se comportaba gravitacionalmente. Después de muchos intentos, el experimento ALPHA-g en la fábrica de antimateria del CERN finalmente hizo la medición crítica: la antimateria cae, igual que la materia normal, frustrando lo que podría haber sido nuestra mejor esperanza realista de un motor warp .
Si los taquiones son imposibles, los agujeros de gusano son imposibles y la velocidad warp también es imposible, ¿queda alguna esperanza de viajes más rápidos que la luz que no exijan algún tipo de nueva física?
Puede haber una posibilidad: la posibilidad de lo que se conoce como bucles temporales cerrados en la relatividad general, que surgen en muchos espacio-tiempos, incluido (posiblemente) en la métrica de Kerr , el espacio-tiempo que describe agujeros negros realistas y giratorios. Si tiene una curva temporal cerrada, puede:
- dejar un punto en un momento inicial en el tiempo,
- emprender un viaje por el espacio, tal vez incluso un viaje muy largo por el espacio,
- y regresar no solo a su ubicación inicial, sino también al momento inicial en el que partió.
En otras palabras, sería como si viajaras a través de una cantidad finita de espacio en una cantidad de tiempo infinitesimal (cero): algo que indicaría absolutamente que se ha producido algún tipo de viaje más rápido que la luz.
Claro, con las leyes de la física conocidas hoy en día y las formas conocidas de la materia, es fácil suponer que incluso una especie arbitrariamente avanzada será incapaz de superar el límite de velocidad establecido por el propio Universo: la velocidad de la luz. Sin embargo, debemos recordar que, siendo realistas, la empresa humana moderna de la ciencia tiene sólo unos pocos cientos de años, e incluso las leyes básicas del movimiento y la gravedad sólo se han descubierto en los últimos 500 años. Después de miles o millones de años, podemos mirar hacia atrás a nuestra comprensión actual del Universo de la misma manera que los científicos modernos miran hacia atrás a la ciencia aristotélica: como una pintoresca puñalada en la oscuridad que en ocasiones es un poco correcta, pero que representa una visión infantil. caricatura de nuestra imagen más precisa de la realidad.
- ¿Se descubrirán los taquiones y aprenderemos que, después de todo, es posible usarlos para viajar por el espacio más rápido que la luz?
- ¿Encontraremos una masa imaginaria o un estado de energía negativa, y seremos capaces de utilizar ese estado para distorsionar la estructura del espacio y crear algún tipo de impulso warp?
- ¿Seremos capaces de doblar el espacio lo suficiente (o hay un lugar donde naturalmente se dobla lo suficiente) para conectarnos a regiones del espacio que de otro modo aparentemente estarían desconectadas, permitiendo un agujero de gusano transitable?
- ¿O seremos capaces de aprovechar la posibilidad de bucles cerrados similares al tiempo para viajar a través del espacio y regresar a nuestro punto de partida, no sólo en el espacio, sino también en el tiempo?
A menos que podamos estar seguros de que la respuesta a todas estas preguntas (así como a otras posibilidades que no se abordan aquí) es no, entonces no podemos descartar la posibilidad de que extraterrestres lo suficientemente avanzados, y tal vez incluso la humanidad en un futuro bastante lejano, puedan algún día superaremos incluso el más famoso de los límites de Einstein. La velocidad de la luz es la velocidad límite de todas las formas conocidas de materia y energía que viajan por el espacio de forma convencional. Si puede ocurrir algo más allá de eso, las posibilidades son prácticamente ilimitadas.
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