La inquebrantable velocidad de la luz

 

La velocidad de la luz
Autor: Markus Spiske

La velocidad de la luz es un tema impactante… ¿Por qué?

Porque nada en nuestro universo puede viajar más rápido que ésta.

La luz viaja a 299,792.458 km/s en el vacío. Es la velocidad más extraordinaria que conocemos; es una de esas leyes posiblemente inquebrantables de nuestro universo. ¡Nada puede superarlo! ¡No hay manera que alguien o algo pueda romper su récord! Es el Usain Bolt del mundo cuántico, donde todo es incluso muchos millones de veces más impresionante incluso que nuestros super héroes imaginarios.

Para poder darnos una idea más certera de lo inimaginable de ese número (299,792.458 Km/s), tranformémoslo a una unidad más coherente en nuestra rutina. Seguramente la mayoría ha viajado en automóvil al menos alguna vez. Los autos son veloces, incluso sin exceder nuestros límites de velocidad en la ciudad de México pueden ir más rápido que el gran atleta Bolt.

Créditos de imagen: Rega Photography

Quizás algunos de ustedes hayan tenido la oportunidad de poder estar viajando en carretera y sobrepasar los 120 km/h, lo cual ya hace que la velocidad se sienta. Imaginen ahora viajar en un Formula 1 que tienen la posibilidad de alcanzar los 400 Km/h; un avión caza MiG-31E que viaja a más de 3,400 Km/h rompiendo por mucho la velocidad del sonido (más de 1,200 km/h); ¡o qué tal la nave espacial Juno que ha superado los 200,000 Km/h!

Formula 1
Formula 1. Crédito de imagen: Jez B
MiG 31-E
Avión caza MiG 31-E. Autor: Dmitry Pichugin
Juno
Sonda Juno. Crédito de imagen: NASA JPL/Caltech

Pero esa velocidad sigue siendo insignificante en comparación con la velocidad de la luz. Ni siquiera la sonda de Juno llega al 0.02% de la velocidad de la luz.

¡La velocidad de la luz en Kilómetros por hora es mayor a mil millones! Para ser más precisos: 1,079,252,848.7999 Km/h.

La velocidad de la luz es un fenómeno tan increíble que en comparación, el tiempo y el espacio son relativos. ¡Pero la luz no!

Es decir, el tiempo, tan absolutamente innegable y estable para nosotros los humanos, es relativo cuando se encuentra con la poderosa velocidad de la luz; es casi como si el tiempo y el espacio se cuadraran cuando ven pasar a la reina Luz.

¿Es entonces la luz como un gran ser mítico que no puede ser tocado ni alterado por nada ni nadie y que goza de los mejores privilegios, cual si se tratara del hijo del rey más poderoso (“el consentido de Dios”)? La respuesta es no.

Lo curioso con este universo y su naturaleza es que nada es absolutamente perfecto o “mejor” que lo demás.

Seguramente han oído que la luz se comporta como partícula y como onda a la vez; su unidad de medida es el fotón, éste mismo se comporta tanto como onda como corpúsculo. La verdad es que esto es de las cosas ininteligibles de la naturaleza.

Cada uno podrá imaginarse a su manera cómo podría ser una partícula que es una onda al mismo tiempo. La verdad es que ni el mejor físico puede detallar de manera precisa cómo es esto, porque es completamente contra-intuitivo.

Tampoco hay forma de que describamos una partícula como un protón para tenerlo presente y bien entendido en nuestra mente (el protón se encuentra en los núcleos de los átomos y es quien les da identidad: como una huella digital cuántica), puesto que su masa es tan pequeña que tardaríamos mucho tiempo tan sólo escribiendo los ceros que hay después del punto (0.0000000000…) tan sólo para denotar su insignificante masa en una unidad conocida para nosotros (como gramos o kilogramos).

Pero incluso un protón es gigantesco comparado con otras partículas. Sin embargo, cualquier analogía con nuestro mundo sería incorrecta: no es como una canica y una pelota, ni nada parecido, simplemente no podemos atinar porque es excesivamente pequeño, y a ese nivel las propiedades y el comportamiento de todo es muy diferente. ¡Más cuando el fotón ni siquiera tiene masa!

¡Así es, la luz no tiene masa ni una antipartícula! No obstante, la luz interactúa con muchas otras partículas cuánticas. Es por eso que la luz viaja más lento cuando no está en el vacío. ¡Es más! Cuando la luz viaja a través del agua, puede incluso ser más lenta que un neutrino. Los neutrinos recientemente fueron confirmados experimentalmente y son partículas muy muy pequeñas que sí tienen masa pero que casi no interactúan con nada, a diferencia de la luz (que es más sociable con otras partículas, por así decirlo).

Entonces cuando ambas partículas entran al agua sucede algo muy curioso, mientras la luz se desvía por culpa de las moléculas de agua (como si fuera saludando a cada una con las que se topa), el neutrino (que es un antisocial) no se detiene con nadie. Esto provoca que el neutrino rebase a la luz (como en la fábula de la liebre y la tortuga, digamos que son una liebre y una tortuga a nivel cuántico, o sea, super veloces).

Cuando esto sucede y el medio es apropiado, se produce una forma de radiación conocida como radiación Cherenkov que produce una característica luz de matiz azulado (lo que inspiró a Alan Moore para su icónico personaje de Dr. Manhattan en los Watchmen). De hecho, es similar al fenómeno que se observa cuando un avión rompe la velocidad del sonido; en lugar de partículas de aire aquí es un fenómeno relacionado a la luz que forma un cono y ese destello azulado que sería muy impresionante contemplar.

Radiación Cherenkov. Autor: Argonne National Laboratory

Los científicos usan ese método para dar terapias y también para la identificación de los mismos neutrinos u otras partículas de alta energía.

Gracias a un fenómeno llamado BEC[ref]Bose-Einstein Condensate.[/ref] por sus siglas en inglés que significa Condensado de Bose-Einstein, que es considerado un nuevo estado de la materia, en donde los gases son enfriados a temperaturas no conocidas ni siquiera en el espacio exterior, es posible hacer que la luz viaje incluso ligeramente arriba de los 60 Km/h. ¡Lo pueden creer! ¡De 1,079,252,848 Km/h a sólo 60 Km/h!

Eso se puede lograr ya que el gas es enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto. El cero absoluto es inalcanzable (tal como es inalcanzable estar arriba de la velocidad de la luz), pero es posible para llegar a temperaturas muy cercanas a -273.15° Celsius (Cero absoluto en escala Kelvin). A esas temperaturas los átomos de gas dejan de comportarse como átomos individuales y empiezan a actuar como si fueran uno solo. Otra de esas cosas imposibles de entender o imaginar atinadamente.

Más recientemente, los científicos han logrado detener a la luz aproximadamente por hasta un minuto.

Todos estos experimentos podrían generar toda una serie de nuevas tecnologías con las que se tendría acceso a la información aún más rápido y de mayor seguridad. Se podrían hacer computadoras que prototípicamente han comenzado a llamar ordenadores cuánticos.

Sin embargo, como dijo la doctora Lene Hau, una de las pioneras en iniciar esa serie de experimentos con la luz y el BEC:

Hablando de los experimentos…

“Lo hicimos porque teníamos curiosidad acerca de este nuevo estado de la materia. Queríamos entenderlo para descubrir todas las cosas que se pueden lograr con eso”.[ref]“We did them because we are curious about this new state of matter,” she says. “We wanted to understand it, to discover all the things that can be done with it.” Lene Hau.[/ref]

Lene Hau
Doctora Lene Hau. Foto: Cortesía de Justin Ide-Harvard News Office

En otras palabras, más allá de las ventajas tecnológicas, los científicos hacen eso para entender mejor de qué se trata todo y hacer volar su creatividad. La tecnología de las computadoras cuánticas es irrelevante si sólo se busca hacer negocio.

Otra forma de reducir la velocidad de la luz fue gracias a un creativo experimento realizado en Glasgow por el profesor Miles Padgett, el doctor Daniel Giovannini, entre otros colegas. Con ayuda de una “máscara”, que es un dispositivo de cristal líquido controlado por software, han logrado reducir la velocidad de la luz. La novedad en este experimento es que la medición  se puede llevar a cabo al nivel de un solo fotón y no de un haz de luz como en el experimento con BEC.

Muy brevemente, el experimento consiste en el disparo de un haz de luz. Ese haz de luz se podría comparar con un pelotón de ciclistas como cuando compiten en los juegos olímpicos en un velódromo, cuando todos salen juntos. Cada ciclista representa un fotón.

El pelotón en conjunto se mueve a una velocidad constante como si fuera una nube de bicicletas y personas; así como el haz de luz se mueve a su propia velocidad: la velocidad de la luz. Sin embargo, no todos los ciclistas dentro del pelotón viajan a la misma velocidad, algunos se rezagan por cansancio o para tomar un poco de agua. De igual manera, su experimento consiste en que uno de los fotones atraviese la máscara, ésta le provocará un cambio de forma y el fotón se rezagará; llegando por millonésimas de metro detrás de un fotón que no pasó por la máscara.

La comunidad científica está intrigada porque curiosamente el fotón sigue manteniendo una velocidad atenuada aún después de haber dejado la máscara atrás. Lo que hace que consideren que quizá sea posible manipular a la luz más de lo que creían.

Ya para concluir está pequeña nota sobre la luz y su fantástica e insuperable velocidad. Hay una nueva teoría que están poniendo a prueba físicos teóricos del Colegio Imperial de Londres. El profesor João Magueiro y sus colegas postulan que en la infancia temprana del universo la luz era todavía más veloz. Es como si poco a poco la luz se estuviera “agotando”. Aunque en realidad se deba, más bien, a lo distinto que era todo pocos instantes después de la gran explosión (recuerden, esas cosas inimaginables cuánticas).

La teoría se está evaluando y posiblemente pronto tengamos noticias de si la teoría se descartó o, por el contrario, fue confirmada. Ambas cosas son de suma importancia, pues en caso de descartarse, la teoría que goza de mejor reputación, que es la teoría de la Inflación, sería más sólida; pues ya de por sí gracias a ella se puede explicar el problema del horizonte y cosas pertinentes al nacimiento de nuestro universo (el Big Bang). Pero si se confirma, será un gran paso que quizás cause otro gran revuelo dentro de las noticias científicas. Como sucedió no hace mucho con el Boison de Higgs en el CERN[ref]Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire.[/ref]. Pues significaría que al contrario de lo que Einstein había propuesto, la luz es menos invariable de lo que pensábamos.

¡Así que la luz y su increíble velocidad aún tienen mucho qué decir y con qué maravillarnos!

 

Vía láctea
Panorama de la Vía Láctea Créditos de imagen: ESO/S Brunier


Para más información consulta los siguientes enlaces:

http://news.harvard.edu/gazette/story/1999/02/physicists-slow-speed-of-light/

http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2015/02/brief-history-speed-light/

http://www.bbc.com/news/uk-scotland-glasgow-west-30944584

http://www3.imperial.ac.uk/newsandeventspggrp/imperialcollege/newssummary/news_24-11-2016-10-12-58

https://medium.com/starts-with-a-bang/breaking-the-speed-of-light-aa84c879f31d

http://www.pbs.org/wgbh/nova/physics/faster-than-light.html

 

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