Respuestas (LIV): ¿Qué pasa si viajamos a la velocidad de la luz? (1ª Parte)

Hace un tiempo que me enviáis mucho del estilo ¿Podríamos viajar a la velocidad de la luz?. ¿Hay alguna manera de viajar ala velocidad de la luz? o, los que han leído un poco más sobre la teoría de la relatividad, ¿Qué nos pasaría si viajáramos a la velocidad de la luz?

El tema me encanta, pero hay mucho que decir al respecto y es un poco complejo, en el sentido de que no es muy intuitivo, así que voy a intentar mezclar estas preguntas para responderlas en dos entradas y dejar un tiempo de asimilación en medio.

Como estamos hablando de la luz, tengo barra libre para colgar imágenes llamativas del universo. Aquí las Pléyades.

Así que vamos allá.

Todo lo que se mueve tiene una velocidad. No es nada nuevo.

Baja a la calle y siéntate en un banco. A tu alrededor verás circular coches, motos, bicicletas y personas a velocidades más o menos constantes.

Ahora levántate del banco y date un paseo en una dirección aleatoria a 6 km/h, por poner una cifra. Desde tu perspectiva ya no percibes tu entorno de la misma manera: ahora la gente que se mueve en la dirección opuesta parece alejarse más rápido que si estuvieras sentado, pese a que sigan caminando al a misma velocidad. De la misma manera, los que siguen tu misma dirección parecen desplazarse más despacio.

Podrías incluso montarte en tu propia bicicleta y meterte entre el tráfico a 20 km/h. Los coches, que tenían pinta de moverse muy deprisa cuando estabas sentado, parecen ir más despacio ahora que los sigues a una velocidad más parecida a la suya.

Este es el fenómeno de la velocidad relativa y estoy intentando que parezca algo curioso, pero no lo estoy consiguiendo en porque es un concepto que tenemos tan interiorizado que cuando vamos por la calle ni siquiera nos paramos a pensar en que la velocidad a la que vemos pasar las cosas depende de la velocidad a la que nos desplazamos nosotros.

Si, por ejemplo, conducimos por la carretera a 100 km/h y nos adelanta un coche a 220 km/h, nos parecerá que el muy colgado se está alejando de nosotros a 120 km/h, pero esa no es su velocidad real, que es la que lleva respecto al suelo. Para conocer esta velocidad se necesita un observador externo que esté quieto, como un radar de tráfico, que medirá su desplazamiento en 220 km/h.

Pero este concepto tan simple e intuitivo se desmorona cuando intentamos aplicarlo a la luz (o al resto de formas de radiación electromagnética, pero hablaré sólo de la luz para simplificar).

En la década de 1860, James Clerk Maxwell formulaba la teoría clásica de la radiación electromagnética y descubría que la luz se mueve a una velocidad fija dependiendo del medio a través del que se desplaza y que alcanza su velocidad máxima en el vacío, con 299.792,458 km/s que, para simplificar, se suele redondear a 300.000 kilómetros por segundo.

O sea, que Maxwell descubrió que todos los fotones (las partículas que componen la luz) se mueven a una velocidad concreta según cada medio y por eso no vemos rayos de luz más rápidos que otros, adelantándose como si estuvieran en The Fast and the Furious: los fotones se desplazan siempre a la velocidad máxima que su entorno les permite.

Además, cuanto más denso es el medio, más despacio lo atraviesa la luz porque le cuesta más propagarse a través de él. En el aire, por ejemplo, la luz se desplaza a 299.705 km/s. Eso son 88 km/s más despacio que en el vacío, donde no hay partículas que obstaculicen su avance. A través del vidrio su velocidad se reduce a casi 200.000 km/s.

La cuestión es que nada más empezar el siglo XX, Einstein le estuvo dando vueltas a este asunto planteado por Maxwell y se encontró con un dilema. Si la velocidad de la luz es fija e inalterable para un medio determinado, dos personas que se desplazan a velocidades distintas deberían ver un mismo rayo de luz desplazándose a la misma velocidad.

Esto parece bastante contraintuitivo.

En el día a día, si disparamos una bala hacia adelante a 1.000 km/h desde un coche que va a 250 km/h (bueno, supongamos nuestro día a día es un poco gángster), desde el coche veremos la bala a moviéndose a 1.000 km/h, ya que los 250 km/h iniciales que le transfiere el coche también los experimentamos nosotros. Pero, en cambio, la velocidad que lleva la bala respecto al suelo y verá un observador estacionario será de 1.250 km/h.

Si viéramos la escena como observadores externos estacionarios, estas son las velocidades que mediríamos si el coche estuviera quieto o en movimiento:

En cambio, si vagamos por el espacio a 200.000 km/s y encendemos los faros de nuestra nave, veremos la luz saliendo de ellos a 300.000 km/s. Eso no debería extrañarnos porque, al fin y al cabo, desde nuestro punto de vista no se debería notar la velocidad que la nave le imparte al rayo de luz. Pero es que, además, un observador externo que estuviera quieto vería la luz de los faros desplazándose también a 300.000 km/s y no a los 500.000 km/s que cabría esperar si se comportara como lo hace la bala.

De nuevo, siendo observadores externos estacionarios, veríamos estas dos situaciones:

Que el rayo de luz de abajo aparezca de color azulado no es un fallo, explicaré por qué ocurre en la siguiente entrada.

A la luz le afecta el hecho de salir despedida de unos faros que van tan deprisa, ya que esta velocidad le aporta energía extra a los fotones. ¿Y qué pasa cuando un rayo de luz se vuelve más energético? Que su longitud de onda se reduce.

El color con el que nuestro cerebro interpreta la luz es en realidad el resultado de su longitud de onda (lo explicaba en esta entrada sobre el color de los espejos) por lo que si “chafamos” las ondas, las veremos de un tono más azulado.

Y cuanto más rápido vaya nuestra nave, más se comprimirá la onda.

La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. En esta imagen aparece el tipo de radiación a la que corresponde cada intervalo de longitudes de onda:

Si suponemos que las luces de nuestros faros son amarillas, un observador externo verá nuestras luces brillar de color azul hasta que alcancemos los 223.451 km/s. Más allá, la luz que verá será ultravioleta y, por tanto, invisible al ojo humano. Si seguimos acelerando aún más, hasta los 297.283 km/s, entonces los rayos ultravioleta nos parecerán rayos X y, si seguimos acelerando aún más hasta los 299.789 km/s (el 99.99899% de la velocidad de la luz) se convertirán en mortíferos rayos gamma.

Para el piloto de la nave, las luces se verán siempre amarillas porque también lleva esa energía “extra” que les ha transferido.

Siguiendo con lo nuestro.

Einstein llegó a la conclusión de que si la velocidad de la luz es inalterable, entonces algo debe cambiar en los propios observadores que afecte a la velocidad con la que la luz parece desplazarse según su perspectiva.

Y se dio cuenta de que ese algo es el tiempo (buenoy el espacio y la masa, pero de eso hablaré el próximo día).

Einstein descubrió que el ritmo con el que pasa el tiempo para un objeto depende de la velocidad a la que éste se desplaza. Esta fue una idea revolucionaria porque significaba que el tiempo ya no era una magnitud absoluta.

Imaginemos que hemos detenido por completo nuestra nave en medio del espacio intergaláctico porque nos hemos agobiado. De repente, nos adelanta otra nave con un reloj enorme en uno de sus lados (al parecer es la moda intergaláctica), yendo cada vez más deprisa. Como estamos quietos, las agujas de ese reloj parecerán moverse cada vez más despacio a medida que la velocidad de la nave aumente hasta que, cuando alcance la velocidad de la luz, se detendrán por completo.

Por otro lado, el piloto de la nave está en las mismas: para él, el tiempo en el interior de la nave pasa con total normalidad y, si nosotros tuviéramos un reloj gigante adornando también nuestro fuselaje, también lo vería pasar a cámara lenta.

Oye, pero, ¿Cómo puede ser que alguien que está quieto vea el reloj de alguien que va muy deprisa moverse a cámara lenta, pero a su vez que quien va muy deprisa vea nos vea a nosotros también a cámara lenta?

Porque, en realidad, tanto da la referencia que se use: puedes describir la situación como que una nave pasa a la velocidad de la luz por delante de una persona o que esa persona se acerca y se aleja a la velocidad de la luz hacia la nave. La situación es exactamente la misma desde el punto de vista de cada observador.

Con esta solución, toda la confusión se arregla: dos personas pueden ver el mismo rayo de luz desplazándose a 300.000 km/s, aunque una de ellas esté quieta y la otra se desplace a gran velocidad, porque su percepción del tiempo cambia.

Llegados a este punto, señalaré que los efectos relativistas empiezan a notarse cuando se viaja a velocidades del orden de los kilómetros por segundo, así que no nos afecta en nuestra vida diaria. Incluso los satélites, que dan vueltas alrededor del planeta a algo menos de 10 km/s, apenas ven pasar el tiempo unos microsegundos más rápido de lo que lo percibimos en la superficie planeta.

Así que anulad todos esos billetes de avión alrededor del planeta, que no va a funcionar.

Todo esto me parece estupendo, pero, ¿hay alguna prueba de esto o realmente fue todo una paranoia de Einstein cogida un poco con pinzas?

Existen pruebas estupendas de que este fenómeno es real.

En 1971 se tomaron cuatro relojes atómicos (que son extremadamente precisos), se sincronizaron y se subieron a bordo de cuatro aviones que darían la vuelta al mundo dos veces: una de ellas hacia el este y la otra hacia el oeste. Utilizando las fórmulas de la teoría de la relatividad, se predijo que los que viajaban hacia el este se adelantarían 40 nanosegundos (± 23 nanosegundos) y los que viajaban hacia el oeste se adelantarían 275 nanosegundos (±21 nanosegundos). Cuando los aviones aterrizaron de nuevo, se compararon los relojes para ver qué marcaban: los que habían viajado hacia el este se habían adelantado 59 (± 10) nanosegundos y los que habían viajado hacia el oeste estaban adelantados 273 (± 7) nanosegundos, demostrando que las predicciones de la teoría de la relatividad eran correctas.

Pero los resultados tienen cierta imprecisión, ¿no? Veo que hay como unos intervalos de incertidumbre.

Las predicciones hechas con los cálculos no podían ser exactas porque hay variables difíciles de tener en cuenta. Por ejemplo, la velocidad del avión no es del todo constante. Además, la gravedad también afecta al transcurso del tiempo (el próximo día todo cobrará sentido, lo prometo) y el campo gravitatorio terrestre tampoco es completamente uniforme a lo largo de toda su superficie debido al diferente grosor de la corteza y las variaciones de composición del planeta. Es por eso que hay cierta incertidumbre en las mediciones pero, pese a estos inconvenientes, los resultados se acercan lo suficiente a la realidad como para considerarlos más que válidos.

De todas maneras, si esta prueba no os convence, existe otra que podemos experimentar en el día a día: la red de comunicaciones de GPS se desmoronaría si no se tuvieran en cuenta los efectos de la relatividad general.

Nuestros aparatos de GPS funcionan leyendo las señales de radio enviadas por a una red 24 de satélites que dan vueltas alrededor de la Tierra a casi 4 km/s a 23.000 km de la superficie. Estas señales de radio viajan a la velocidad de la luz hasta los satélites y nuestros dispositivos, conociendo la velocidad de estas ondas y la distancia que las separa del planeta, pueden calcular el tiempo que ha tardado la señal en llegar hasta ellos. Combinando la medición de 4 satélites, éstos pueden calcular dónde se encuentran sobre la superficie terrestre con una precisión de entre 5 y 10 metros y, además, calcular las coordenadas del lugar al que quieres ir de una manera igual de precisa.

En esta imagen se puede ver cómo cuatro satélites combinan sus lecturas para encontrar el único punto en común que tienen todas, que señala el punto de emisión de la onda.

Ahora bien, a la velocidad a la que viajan estos satélites el efecto de la dilatación temporal es palpable: sus relojes se “adelantan” al mundo unos 38 microsegundos cada día. Para medir con precisión nuestras posiciones, el GPS necesita una precisión de entre 20 y 30 nanosegundos en la medición del tiempo que tarda la señal en alcanzarlo para poder deducir su localización con precisión.

Pero, claro, 38 microsegundos diarios de adelanto son 38.000 nanosengundos, así que una señal retrasada tanto tiempo daría lugar a inmensos fallos de cálculo de la posición de los objetos. De hecho, si no se tuvieran en cuenta estos 38 microsegundos provocados por los efectos relativistas, las mediciones derivadas de las señales de la red de satélites de GPS perderían toda validez en tan sólo 2 minutos.

¿Y esa es toda la historia? ¿Con esto ya hemos arreglado la física?

No del todo. De momento, sólo he mencionado qué ocurre con el tiempo cuando viajamos a velocidades tremendas. Pero, no os preocupéis, que aquí tenéis la 2ª parte de este artículo donde hablo sobre qué pasa con el espacio.

 

 

PERO NO OS VAYÁIS, QUE TENGO ALGO QUE DECIROS.
En septiembre de 2015 publiqué un libro en el que hablo sobre la historia de la astronomía con la editorial Paidós y ahora está disponible en librerías tanto en España como en México y a través de internet por todo el mundo.

Así que, si os apetece saber cómo hemos llegado a conocer todo lo que sabemos hoy en día sobre el universo, podéis hacer click sobre la siguiente imagen del libro, “El universo en una taza de café“, para ir a la entrada donde hablo del libro con más detalle:

27 pensamientos en “Respuestas (LIV): ¿Qué pasa si viajamos a la velocidad de la luz? (1ª Parte)”

  1. ¡Wow! Me ha encantado, no me he enterado de nada. Me lo tendré que volver a leer mañana a ver si me entero mejor. Me parece un tema súper interesante.
    Muchas gracias again, Mr. Sabelotodo.

  2. Buenas,

    Buen artículo; sólo una corrección: “Nuestros aparatos de GPS funcionan mandando señales de radio a una red 24 de satélites que dan vueltas alrededor de la Tierra a casi 4 km/s a 23.000 km de la superficie” –> Esto es al revés, “nuestros aparatos de GPS reciben señales de radio de una red de 24 satélites […]” de forma que por triangulación de la posición de estos (mínimo) 4 satélites que siempre están en el mismo lugar y saben su hora exacta siendo esta enviada en la señal de radio el aparato GPS terrestre puede conocer su posición exacta [..]

    Saludos,

      1. Acabo de descubrir este blog “culpa de Bitácoras” 🙂
        Aprovecho para avisarte que te ha quedado sin corregir “Estas señales de radio viajan a la velocidad de la luz DESDE los satélites” y en la imagen que sigue: “que señala el punto de RECEPCIÓN de la onda”

    1. Los satélites al estar a unos 23000 km de altura, no son geoestacionarios, así que no están siempre en el mismo lugar. Nuestros GPS tie un “almanaque” de la posición de los 24 satélites en todo momento, cada uno con su código pseudo aleatorio característico, y que es corregido continuamente por el ejercito Americano.
      Saludos

  3. Existe otra metáfora que a mi me ayudo a entender mejor el tema del tiempo y la velocidad si la velocidad de la luz es una constante.

    Imaginemos que viajamos por el espacio a velocidades cercanas a la luz, en una caja de cristal de 2 metros radio con una bombilla en medio. En cierto momento encendemos la bombilla y observamos el primer fotón que sale directamente hacia arriba. Este fotón subirá hasta tocar la parte superior del cristal y rebotará para volver a la bombilla (hará un movimiento vertical, arriba y abajo), habrá recorrido 2 metros en un tiempo concreto.

    Ahora imaginemos que somos un observador externo que ve pasar esta caja de cristal. En el momento que en el interior se enciende la bombilla, viendo el primer fotón desde el exterior, no veremos un movimiento de arriba a abajo, sino que además habrá desplazamiento lateral debido a la velocidad cercana a la luz de la caja. El fotón hará un movimiento en angulo, algo así: ^

    Por lo tanto, ese fotón para el observador externo no habrá hecho solamente los 2 metros anteriores, sino que habrá recorrido mas distancia lateral, es decir: 2 metros de arriba a abajo + distancia lateral.

    Pues bien, si la velocidad de la luz es constante e independiente de la velocidad con la que se desplaza el objeto. ¿Como es posible que recorra dos distancias diferentes en el mismo tiempo?.

    Si Distancia = Tiempo x Velocidad y la Distancia aumenta pero la Velocidad es la misma, la única explicación posible es que el tiempo también varíe.

    No se si ha quedado muy claro 🙂

    Espero que ayude a entender este efecto tan apasionante.

  4. ¡Espero ansioso el siguiente post! La teoría de la relatividad siempre fue un punto flaco durante mi bachiller, y me siento orgulloso de poder decir que con tu artículo por fin lo he entendido.

  5. si me acuerdo de mis estudios, el piloto de la nave vería todo lo que pasa fuera como si fuera en movimiento lento, exactamente como el otro observador le ve a él. si no hay acceleración no se puede saber cual se mueve y cual está quieto. las observaciones de uno al toro han de ser idénticas

  6. Entonces,

    Yo salgo corriendo a 1000 km/h y tu sales a 5 km/h. Alguien enciende una luz detras nuestro. El rayo de luz llegaria exactamente en el mismo preciso instante para los dos? medido desde fuera digo

  7. En el experimento de los relojes atómicos y los aviones dices que los relojes se ADELANTARON unos nanosegundos respecto al reloj de la superficie. ¿No sería al revés? La velocidad del avión provoca que el tiempo pase más lento y, por consiguiente, los relojes que estaban en los aviones deberían marcar un retraso respecto al que estaba en la superficie, ¿no?

  8. Supongamos que estamos en medio del espacio, en nuestra nave y tenemos a un amigo, Bob, que está en otra nave. (supongamos que estamos fuera de cualquier interacción gravitacional). Si nosotros nos quedamos quietos y Bob arranca, Bob nos ve a nosotros en cámara lenta. Pero nosotros vemos a Bob en cámara lenta…quien envejece más rápido.
    O en otras palabras, si estamos en medio del espacio y vemos a un pelado pasar a la velocidad de la luz, quien envejece más rápido. ¿Él o nosotros?

  9. Según tengo entendido por “La paradoja de los gemelos”, el tiempo pasa diferente para dos personas, pero lo que realmente hace que uno envejezca más que el otro (sin tener en cuenta la gravedad) realmente es la aceleración. Es decir, uno envejecerá más lento por la aceleración, indpendientemente de la velocidad. ¿Es eso cierto o he entendido mal la paradoja?

  10. Hola Jordi, primero que todo mis felicitaciones y gracias por darte el tiempo de compartir tus conocimientos de manera ta clara y amena.
    Tengo un par de reflexiones que quería comentar, espero que no sea muy descabelladas.
    1. Según entiendo de la teoría de la relatividad, en el espacio-tiempo todo se mueve a la velocidad de la luz, existe una componente de movimiento en el espacio y una componente de movimiento en el tiempo, cuanto más rápido me mueva en el espacio, más lento me muevo en el tiempo (para compensar?). O sea, un fotón moviéndose a la velocidad de la luz en el vacío no experimentaría el paso del tiempo, hasta que se vea ralentizado por un cambio de medio, por ejemplo. En ese punto empezaría a “moverse” en la dimensión temporal. O sea, un fotón que ha viajado desde el inicio del universo y llega a través del vacío hasta mi retina, tiene prácticamente la misma edad que cuando partió en el Big Bang. ¿Eso es correcto? o estoy muy perdido.
    2. Si el movimiento es relativo, entonces, desde el punto de vista de un fotón soy yo el que se está moviendo a la velocidad de la luz, no?. Cómo se podría explicar eso, considerando que yo tengo masa, por lo que no puedo moverme a esa velocidad? Qué “observaría” el fotón cuando me “vea” pasar a la velocidad de la luz?
    Saludos amigo y gracias!

  11. Si yo viajo en una nave a la velocidad de la luz y disparo unos misiles de esta, la pregunta es: si los misiles salen disparados estos superarian por instantes la velocidad de la luz o simplemente no saldrían?

    1. Yo tampoco entiendo bien eso, y en vez de misil me imagino si encendiéramos la luz esta iluminaria hacia delante nuestro a otra nave por ejemplo … Por el tema del misil tengo entendido que no se puede agregar mas velocidad a la de la luz por ende el misil no saldría …. Pero en cambio si enciendo la luz ,hace contacto, creo q se vería la bombilla pero si lo veo es q la luz ha llegado a mis ojos no entiendo bien esto y espero q alguien lo haya entendido

  12. Hola, tengo una duda, si una persona viaja a través del espacio a la velocidad de la luz cuantos años terrestres podría sobrevivir? Considerando que empezó su viaje cuando era un bebé recién nacido. Espero su repuesta.

  13. Voy a escribir lo que entiendo sobre este tema. Si alguien me corrige o complementa la idea seré feliz.
    Cuando hablamos de velocidad de la luz y relatividad especial hay que hacer dos precisiones: La primera es que no es que la velocidad de la luz sea el límite UNIVERSAL de velocidad posible; es que HAY un límite de velocidad posible y los fotones, por eso de no poseer masa pueden moverse a ESA velocidad (así como cualquier otra partícula sin masa). La segunda cosa es que normalmente se considera la velocidad (de la luz o de cualquier cosa) dentro de un universo tridimensional, pero la relatividad nos dice que en realidad vivimos en un universo de cuatro dimensiones: tres espaciales y una temporal. Y en verdad todo y todos nos movemos en ese universo tetradimensional a la máxima velocidad posible (Sí, todos a la misma velocidad); pero esa velocidad se “reparte” entre las cuatro dimensiones y está relacionada con la masa de las partículas. Por ejemplo, los fotones al no tener masa se mueven en las tres dimensiones espaciales a la máxima velocidad posible (a la velocidad de la luz, vamos), por lo tanto “no les queda” velocidad para desplazarse en el tiempo. De esto se desprende que un fotón que viaje por el espacio vacío a la velocidad de la luz no “percibe” el paso del tiempo, porque no se desplaza en esa dimensión. En cambio, nosotros que nos movemos tan lento a través de las tres dimensiones espaciales “gastamos” casi toda nuestra velocidad en la dimensión temporal (¡o sea nos movemos casi a la velocidad de la luz a través del tiempo!). Es decir, mientras más nos acercamos al límite universal de la velocidad en el espacio, más lento nos movemos en el tiempo. Por eso, al viajar a una fracción respetable de la velocidad de la luz podemos ver todas las maravillas de la dilatación/contracción temporal.
    En el caso de la luz, como no se mueve en el tiempo, usa toda su velocidad en el espacio y por más que aceleremos y encendamos una linterna en la dirección del movimiento, no lograremos que el rayo supere a la velocidad máxima permitida, porque el rayo ya va a esa velocidad, para los fotones no pasa el tiempo, por lo que todo su movimiento será espacial.

  14. Para viajar a la velosidad de la luz,solo nesesitamos el combustible indicado , y este se basa en descomponer la luz y utilizar los elementos q la impulsan , pues si existe ese elemento , porque cuando se congela la luz deja de viajar y solo queda un punto similar a un color en un papel ahora la fuerza o potencia que hace viajar la luz puede atraparse y con unos buenos mecanismos q la ciensia de la mano de la tecnología arian y asi pueden crear,el motor q todos estamos esperando.

  15. “Para el piloto de la nave, las luces se verán siempre amarillas porque también lleva esa energía “extra” que les ha transferido” En esta parte me perdí, por qué la longitud de onda es la misma a que si estuviese quieto aún estado en movimiento?

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