Algunos desafíos de viajar a velocidades cercanas a la de la luz

Las películas y las series de ciencia-ficción nos han acostumbrado a ver a sus protagonistas moviéndose de un lado al otro del universo como si se estuvieran paseando por su casa. Y, tal vez por eso, me da la impresión de que se tiende a infravalorar la dificultad real que supondría explorar el espacio: no hablo sólo de movernos de un lugar a otro dentro de la Vía Láctea, sino del sueño de llegar a expandir nuestra civilización más allá de nuestra galaxia hacia el resto del universo.

Total, que en la entrada de hoy quería comentar algunos de los desafíos más tochos que tendremos que superar para movernos con relativa libertad por el cosmos.

En primer lugar, abordemos el problema más obvio: las enormes distancias que separan las cosas en el espacio.

Cuando se habla del espacio que separa las estrellas, os sonará la medida del año luz, que equivale a la distancia que recorre un rayo de luz en el vacío durante un año… O casi 10 billones de kilómetros, teniendo en cuenta que la luz se propaga por el vacío a unos 300.000 kilómetros por segundo (km/s).

Para poner esta cifra en perspectiva pensad que, a 120 km/h, un coche tardaría casi 10 millones de años en recorrer un año luz, de modo que si ahora mismo pusieras rumbo a Alfa Centauri (la estrella más cercana a nuestro sistema solar) a esa velocidad, tardarías 38 millones de años en cubrir los 4 años luz que nos separan de ella. Más aún, incluso a la mayor velocidad alcanzada por un vehículo espacial hasta la fecha (los 265.000 km/h experimentados por la sonda Juno mientras se acercaba a Júpiter), una nave tardaría 17.200 años en llegar hasta la estrella más cercana.

Y, encima, para hacer el escenario aún más deprimente, nuestra galaxia mide 100.00 años luz de diámetro… Por no hablar del resto de las galaxias que nos rodean, porque hasta las más cercanas están a millones de años luz de nosotros.

Un gráfico que a lo mejor os ayuda a haceros una idea de lo lejos que está todo en el espacio.

Estas distancias tan abrumadoras nos complican mucho el trabajo porque se necesitarían grandes cantidades de combustible, sistemas de soporte vital y provisiones para cubrirlas. De hecho, incluso aunque consiguiéramos alcanzar la velocidad de la luz, el viaje podría durar centenares de miles o millones de años, dependiendo de a dónde pusiéramos rum…

¡Eh, eh, eh! ¡Espera un momento! Te olvidas de una cosa: ¿no comentabas en otra entrada que el tiempo pasa más despacio si te mueves a velocidades cercanas a las de la luz? ¿Eso no nos ayudaría a movernos más deprisa por el universo?

Buena observación, voz cursiva, aunque faltaría matizar un par de detalles.

Los tripulantes de una nave que se moviera a una velocidad cercana a la de la luz experimentarían los efectos extremos de la dilación temporal y la contracción de la longitud predichos por la teoría de la relatividad especial de Einstein. En resumidas cuentas, cuanto más parecida sea la velocidad de tu nave a la velocidad de la luz, más rápido pasará el tiempo para ti respecto al exterior y más corta te parecerá la distancia que te separa de tu destino.

Por ejemplo, si vas en una nave a 260.000 km/s, notarás que el tiempo pasa el doble de rápido para ti respecto a un observador externo que flota sin moverse en medio del espacio. Como resultado, si pudieras sacar la cabeza por la ventanilla de la nave y mirar el reloj de pulsera del observador con unos prismáticos, te parecería que las agujas de su reloj se mueven el doble de lento de lo habitual. Y lo mismo percibiría él si te observara a ti.

Pero ojo, porque, por separado, a cada uno le parecería que las agujas de su propio reloj de pulsera se mueven al ritmo de siempre. Ninguno de los dos notaría ningún fenómeno extraño hasta que viera al otro moviéndose a cámara lenta. Pero, curiosamente, a causa de otros detalles de la relatividad que seguramente tendré que comentar en otra entrada, en cuanto vuelvas de tu viaje y bajes de la nave te encontrarías que el observador que estaba quieto habría envejecido el doble que tú mientras estabas de viaje (algo que también pasa si los dos estáis metidos en campos gravitatorios diferentes, como comentaba en esta otra entrada sobre la relatividad general y la película Insterstellar).

El caso es que, desde el punto de vista de un observador externo, una nave que se moviera a una fracción considerable de la velocidad de la luz tardaría más de cien mil años en cruzar la Vía Láctea. PERO, y aquí lo curioso del fenómeno, gracias a los efectos de la dilación temporal y la contracción de la longitud, desde el punto de vista de sus tripulantes sólo habrían pasado unas décadas.

¿Ves? ¡Al final todo se soluciona solo! ¡Cuando realmente quieres algo, el universo conspira para que lo logres! 

Espera, espera, voz cursiva, llévate las referencias a Paulo Coelho a otro blog, porque hay un detalle que no se enseña a menudo en las historias de ciencia-ficción: como hemos visto, el tiempo sólo pasa más rápido para la gente que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz. Por tanto, aunque la tripulación de una nave cuasi-lumínica pueda cruzar la galaxia en unas décadas, durante su viaje habrán pasado más de cien mil años para el resto del universo, que no se mueve a la misma velocidad. Como resultado, en cuanto la tripulación vuelva a su planeta natal tras completar su misión en la otra punta de la galaxia, todos sus seres queridos habrán muerto hace mucho tiempo y es posible que el mundo sea un lugar completamente irreconocible para ellos, dependiendo de cuánto tiempo que hayan pasado dando vueltas por el espacio.

No es un escenario especialmente atractivo para los astronautas que tengan pensado volver a ver a su familia y amigos pero, al menos, teóricamente podríamos usar este método para mandar misiones al otro lado de la galaxia sin necesidad de enfrentarnos a los problemas y riesgos que traen consigo los sistemas de soporte vital que mantengan a la tripulación en un estado de suspensión durante miles de años o sin construir una especie de nave generacional en la que sean los descendientes de los astronautas originales quienes lleguen al destino seleccionado.

Bueno, hay gente que se prestó voluntaria para ir Marte y no volver a ver a sus familias, así que no creo que encontrar voluntarios para colonizar la galaxia a velocidades cuasi-lumínicas vaya a ser un problema. ¡Venga, rápido, empecemos a mandar a gente al espacio a la velocidad de la luz!

No tan deprisa, voz cursivapara que este invento funcione, primero tendremos que encontrar la manera de acelerar nuestras naves hasta velocidades cercanas a las de la luz. Y esa es una de esas cosas que es muy fácil decir, pero no tanto hacer.

Para acelerar cualquier objeto hasta la velocidad de la luz necesitaríamos una cantidad de energía infinita, por muy pequeña que sea su masa. Es por eso que, como mucho, “sólo” podemos aspirar a alcanzar velocidades más o menos cercanas a esta cifra. Aun así, propulsar un objeto hasta una fracción considerable de velocidad de la de la luz requiere una cantidad de energía tremenda.

Hay pocas sustancias que proporcionen las grandes cantidades de energía por unidad de masa necesarias para proporcionar velocidades de esta magnitud, aunque un buen candidato sería la antimateria que, al reaccionar con la materia ordinaria, el 100% de la masa involucrada se convierte en energía. Para comparar esta cifra con algo, asumiendo que fuéramos capaces de utilizar toda la energía liberada por la reacción (que no lo somos), hubieran bastado 2 mg de antimateria para  poner en órbita el Space Shuttle, una proeza que requería 1.700.000 kg de combustible químico cuando estaba en servicio.

Impresión artística de una nube de antihidrógeno atrapada en el interior del experimento ALPHA del CERN, que en 2011 consiguió mantener la antimateria confinada durante 16 minutos. (Fuente)

Pero, para variar, la realidad no es tan benevolente como nos gustaría: incluso si tuviéramos un motor que extrajera energía de la reacción entre materia y antimateria, necesitaríamos decenas de kilos de antimateria por cada kilo de nuestra nave (y su carga) sólo para llegar hasta las estrellas más cercanas. La cantidad aumentaría hasta cientos de miles de toneladas por kilo de nave para movernos por la Vía Láctea y hasta miles de millones de toneladas para alcanzar otras galaxias cercanas, como Andrómeda.

Y de aquí surgen dos problemas.

En primer lugar, la antimateria tiene masa, así que cada kilo adicional de combustible que se añada a la nave necesitará aún más antimateria para acelerarlo hasta la velocidad deseada junto con el resto del aparato. Por si esto fuera poco, la antimateria es un material extremadamente difícil de producir y prácticamente se tiene que sintetizar átomo por átomo en el interior de un colisionador de partículas. De hecho, el proceso es tan lento que, aunque se usara el CERN únicamente para producir antimateria, tardaría 1.000 millones de años en producir un sólo gramo de esta sustancia.

¡Qué pesado! ¡Ya encontraremos antimateria desperdigada por algún lugar del universo! ¡La cuestión es que no sabemos de lo que seremos capaces en el futuro! ¡Seguro que a alguien inventará alguna tecnología que nos permita acelerar nuestras naves más fácilmente hasta velocidades cercanas a las de la luz! 

Sí, claro, es posible que en el futuro encontremos soluciones que ahora mismo no somos capaces de ver. Pero hay otro problema que nos molesta tanto hoy en día como lo hará en el futuro: incluso suponiendo que pasan los años y descubrimos una tecnología que casi nos permite alcanzar la velocidad de la luz, una nave que se moviera tan rápido no sólo se deterioraría, sino que sus tripulantes podrían acabar muertos en poco tiempo.

¿Qué? ¿Cómo iba a ser tan malo el simple hecho de ir muy rápido en una nave?

Mejor me explico.

En otras entradas y vídeos he hablado sobre la radiación nuclear, que no son más que partículas que se mueven bastante rápido y que a veces se estrellan contra nosotros. Cuanto más deprisa se mueven estas partículas y más masivas son, mayor es el daño que provocan contra cualquier cosa con la que chocan (incluyendo nuestras células, como comentaba en esta otra entrada).

El problema de moverte muy rápido por el universo es que el espacio no está completamente vacío. En el medio interestelar, por ejemplo, hay entre un millón y un billón de partículas por metro cúbico así que, al moverte a través de la galaxia a velocidades cercanas a las de la luz, estas partículas que flotan por el espacio chocarán contra tu nave a esa misma velocidad. 

Y este fenómeno, que parece una chorrada, es muy peligroso.

Para hacernos una idea de la magnitud de este efecto, una nave que se desplazara por la galaxia a unos 30.000 km/s (el 10% de la velocidad de la luz, que tampoco es mucho) absorbería radiación correspondiente a una energía de 22.6 Joules cada segundo (tomando como referencia la masa de un núcleo de hidrógeno). Si el piloto de la nave pesara 80 kg, esto equivaldría a recibir una dosis de 3.56 Sieverts de radiación cada segundo. Teniendo en cuenta que, durante el bombardeo de Hiroshima, la mitad de la gente que se vio expuesta a una dosis de radiación superior a 4,5 murió, podéis imaginar que recibir una dosis similar cada segundo no es precisamente bueno para la salud.

Bueno, vale, pero la idea no es explorar el espacio en pelotas y a pulmón, sino dentro de una nave que te proteja de estas cosas.

En eso tienes razón, voz cursiva: al fin y al cabo, el fuselaje de las naves actuales protege hasta cierto punto a sus tripulantes de la radiación del espacio. Pero también debes tener en cuenta que ningún vehículo espacial actual se mueve, ni de lejos, a una fracción considerable de la velocidad de la luz. De hecho, se ha calculado que harían falta entre 4,4 y 4.400 metros de plomo para detener la radiación derivada de moverse a velocidades cercanas a las de la luz, dependiendo de cuánto quieras acercarte a este límite cósmico. Y ese peso adicional de todo ese blindaje sería un problema, desde el punto de vista del combustible.

Protección de polietileno que utilizan en la Estación Espacial Internacional para proteger a los astronautas de los niveles de radiación que hay en órbita. No servirían para viajar a la velocidad de la luz. (Fuente)

En realidad, teniendo en cuenta que tienes que alcanzar más del 99% de la velocidad de la luz para los efectos de la dilación temporal realmente reduzcan de manera significativa la duración del viaje, de momento lo llevamos claro: con lo que sabemos ahora del universo, parece que no nos quedará más remedio que colonizar la galaxia con calma, a lo largo de millones de años.

Por supuesto, todo esto no tiene por qué excluir que en un futuro se logren resolver superar los retos que nos impiden movernos a grandes velocidades. Se han propuesto conceptos como el motor de Alcubierre o los agujeros de gusano que nos permitirían “hacer trampas” y saltarnos el límite de velocidad cósmico… Pero se trata de ideas que pertenecen exclusivamente al reino de las teorías. Parece que, al menos de momento, el viaje a velocidades parecidas a las de la luz queda muy lejos del alcance de nuestra tecnología actual.

Y hasta aquí la entrada de hoy, os dejo con la parte que todos estabais esperando secretamente.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

 

22 pensamientos en “Algunos desafíos de viajar a velocidades cercanas a la de la luz”

  1. Un momento, que has mencionado por ahí un tal motor de Alcubierre… He leído lo que es y cómo veo que Voz Cursiva no lo pregunta (ejem, ejem…) ¿Pero eso es un motor de curvatura? ¡¿No es eso lo que usan en Star Trek?!

  2. Felicidades por tu blog. Me apasiona la ciencia. Hace años que creo que la única forma que tendremos de viajar a la velocidad de La Luz no será montados en ningún cacharro sino descompuestos en forma datos y proyectados en la propia luz. Lo malo de este sistema es que previamente tendremos que haber llegado al punto para tener alguien que pueda recoger esos datos e introducirlos o bien en un ser vivo orgánico (de usar y tirar) o bien en un robot. Creo que esta será la forma de exploración a corto plazo ( un par de miles de años 😉 )

    Un abrazo

  3. Dices en el post: “Por ejemplo, si vas en una nave a 260.000 km/s, notarás que el tiempo pasa el doble de rápido para ti respecto a un observador externo que flota sin moverse en medio del espacio. Como resultado, si pudieras sacar la cabeza por la ventanilla de la nave y mirar el reloj de pulsera del observador con unos prismáticos, te parecería que las agujas de su reloj se mueven el doble de rápido de lo habitual.”

    Esto sólo es cierto si estás modificando tu velocidad, ¿no? Si tu velocidad es fija respecto de ese observador, deberías observar que su reloj se mueve aproximadamente el doble de lento que el tuyo. Y lo mismo para el que te observa a ti, vaya.

      1. Jordi, creo que la corrección es incorrecta y que no estaba mal al principio, no?. Es decir, el que viaja a velocidades cercanas a la de la luz envejece más lentamente y por tanto observa dos cosas desde su nave, una es la contracción del espacio, es decir, todos los objetos pasan a estar mucho más cerca, la via lactea le parece mucho más pequeña, lo suficiente como para recorrer toda la galaxia sin llegar a la velocidad de la luz y por otro lado le parecerá que todo lo que no viaja con él tiene el tiempo acelerado, el observador externo envejece más rápido, por tanto si pudieses ver su reloj, a ti te parecería que se mueve el doble de rápido de lo habitual.

        Yo suelo decir, que para el que viaja a la velocidad de la luz, ve su tiempo decelerado, si lo podemos ver, veríamos que s emueve lentamente (por eso además envejece más lentamente), en tu caso dices que va acelerado y es correcto si consideras al observador externo, pero eso da lugar a confusión, pero no es incorrecto, es que depende del observador que consideremos, pero todo eso ya lo sabes ;).

        Por lo demás una entrada tremendamente interesante, yo he aprendido alguncas cosas nuevas!

  4. Si logramos llegar a velocidades muy muy cercanas a la de la luz, podriamos llegar a estrellas cercanas en cuestión de dias, si hablamos del tiempo relativo de los viajeros. Eso también implicaría un gasto de energía equivalente a días de viaje, no?

  5. Paciencia chicos… domesticaremos agujeros de gusano en laboratorios, los abriremos a voluntad en cualquier región del espacio, el poder de las IA’s y el cálculo computacional nos traerán una nueva generación de impulsores basados en antigravedad, la comprensión de la materia y la energía oscuras nos traerán un nuevo modelo en física… Que soy muy optimista? Es posible… miremos alrededor como ha cambiado nuestra vida en apenas unos años y además veremos una tripulación humana avanzar por las planicies de Marte en breve.

  6. Felicitaciones! qué texto tan magnífico. Lo usaré de ahora en adelante como referencia para explicarle a mis amigos lo dificil que sería viajar por el espacio…

  7. Y haría falta disipar la misma cantidad de energía que hayamos empleado para alcanzar una velocidad cuasi lumínica, para desacelerar si queremos parar en algún lado. Mejor no pisemos el acelerador sin haber resuelto el problema de la frenada.

  8. yo no entiendo si en tu entrada muestras en la imagen de la galaxia el diminuto punto que representa el universo observable desde la tierra, como es que dicen que desde diferentes zonas despejadas de la tierra se puede ver el centro de la via láctea a simple vista

  9. Alegría y desilusión a partes iguales.

    Alegría porque me he enterado de un montón de cosas que no sabía sobre los viajes interestaleres.

    Desilusión porque hay todavía más problemas de los que pensaba (como lo de los 4.400 metros de plomo necesarios para protegernos de la radiación).

    Aún así, yo mantengo la fé en los agujeros de gusano, como en Interestellar

    Gran post. Un saludo!

  10. Ya había leído esta entrada, pero lo volví a hacer porque me parece ¡buenísima!
    Además tu blog está muy muy interesante.
    Por ahí se te pasaron algunos detalles de redacción mínimos como alguna palabra o flexiones distintas; nada que no se pueda corregir, y creo que de todas maneras no hace que sea ininteligible el asunto.

    Como sea, creo que me voy a volver fan de este blog.

    ¡Enhorabuena!

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