miércoles, 26 de junio del 2019 Fecha
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Acercarse a la velocidad de la luz… trae consecuencias

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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Todos sabemos de los fenómenos que se pueden producir en algunos aspectos de la relatividad especial de Einstein. Él no quiso llamarla de esa manera y, había pensado que “teoría de la invariabilidad” que reflejaba el carácter invariable de la velocidad de la luz, entre otras cosas, estaría bien. Sin embargo, finalmente se quedó como la Teoría de la Relatividad Especial. La obra de Eintein demostraba que conceptos tales como espacio y tiempo, que anteriormente parecían estar sepados y ser absolutos, en realidad están entrelazados y son relativos. Einstein demostró además que otras propiedades físicas del universo, sorprendentemente, también están interrelacionadas. La más famosa de sus fórmulas constituye uno de los ejemplos más importantes.

En esta escueta fórmula Einstein afirma que la energía (E) de un objeto y su masa (m) son conceptos independientes; podemos determinar la energía a partir de la masa del objeto (multiplicando esta dos veces por la velocidad de la luz, o sea por c2) o podemos determinar la masa conociendo su energía (dividiendo esta úlñtima dos veces por la velocidad de la luz). En otras palabras, la energía y la masa son las caras de una misma moneda. Claro que, el tipo de cambio es grande (c2 es una cantidad considerable). Una masa pequeña llega a producir una cantidad considerable de energía.

Nube de hongo sobre Hiroshima después de haber soltado la bomba Little Boy.
La nube de hongo creada por la bomba Fat Man como resultado de la explosión nuclear sobre Nagasaki.
   Nube del hongo sobre Hirosima y
   Nube del hongo sobre Nagasaki
En Hirosima se utilizó como arma el devastador poder destructivo obtenido de la conversión en energía de menos del uno por ciento de 900 gramos de uranio; algún día,  en centrales energéticas de fusiòn podremos utilizar productivamente la fórmula de Eisntein para bien de la Humanidad y satisfacer la demanda de energía del mundo moderno aprovechando la materia prima inagotable que tenemos en el agua de los mares y océanos de la Tierra.
Resultado de imagen de Haces de muones corriendo a la velocidad de la luz en el LHC multiplican su masa
Los conceptos que ponen de relieve la Teoría de la Relatividad Especial, ponen de relieve principios fundamentales y una de las cosas que nunca podremos hacer es ir más rápido que la velocidad de la luz. Algunos de ustedes se podrá preguntar ¿por qué no podemos coger un objeto, por ejemplo un muón, que un acelerador de partículas haya impulsado hasta conseguir que se mueva a 298 168 Km/s -el 99,5 por ciento de la velocidad de la luz- y “empujarlo un poco más”, consiguiendo que vaya al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz, y entonces”empujarlo realmente un poco más” para tratar de que cruce la barrera de la velocidad de la luz.

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

 

  1. En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
  2. En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

 

 

Resultado de imagen de Puente de Einstein-Rosen

 

Posiblemente, si tenemos el tiempo necesario para ello, al final encontraremos el camino para poder “burlar” (que no superar) la velocidad de la luz en el vacío, y, de esa manera podremos, finalmente, ir a otros mundos allí fuera, en las estrellas.

 

Estamos tratando de cruzar la barrera de la velocidad de la luz pero, Einstein, en su fórmula nos explica que tal cosa no es posible, y, el esfuerzo no tendría éxito precisamente por lo que antes hemos explicado para las dos maneras en que se transmite la energía y se puede incorporar a un cuerpo libre.
Cuanto más rápido se mueve un objeto, más energía tiene y, a partir de la fórmula de Einsteon, vemos que cuanta más energía tiene un objeto, más masa posee. Por ejemplo, los muones que se desplacen al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz pesan más que los muones inmóviles. De hecho, la verdad es que se vuelven 22 veces más pesados.
Resultado de imagen de La masa aumenta a velocidades cercanas a la de la luz
Pero, cuanto más masa tiene un objeto, más difícil es incrementar su velocidad. Una cosa es empujar una ligera bicleta  y otra muy distinta, empujar a un pesado camión. Así, a medida que un muón se mueve más rápido, se hace cada vez más difícil aumentar aún más su velocidad. Cuando se desplaza a un 99,999 por ciento de la velocidad de la luz, la masa de un muón se multiplica por 224; a un 99,99999999 por ciento de la velocidad de la luz se multiplica por un factor que es más de 70 000. Como la masa del muón aumenta sin limiter a medida que su velocidad se aproxima a la de la luz, sería necesario un impulso dado con una cantidad infinita de energía para alcanzar o superar la barrera de la velocidad de la luz. Por supuesto, esto es imposible de alcanzar y, en consecuencia, ningún objeto puede (en nuestro unhiverso) moverse más rápido que la luz (llegaría a tener una masa infinita) que es el limite de velocidad que podemos alcanzar y también, el limite para poder transmitir información.
Resultado de imagen de La Velocidad de la luz
La velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo. Podría rodear la Tierra casi 7 veces cada segundo. Es una barrera, un límite en el Universo. Nada puede viajar a más velocidad. Además de ser insuperable, la velocidad de la luz parece ser uno de los fundamentos sobre los que se ha construido nuestro Universo.
Resultado de imagen de El Tiempo transcurre más lento para los viajeros a la velocidad de la luz
Desde nuestra nave en reposo relativo vemos cómo la luz recorre más distancia entre los espejos en la nave en movimiento que en la nuestra. El Tiempo transcurre más lento para nave viajera a velocidad relativista.

La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×1010) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c×c, es decir: 3×1010 × 3×1010, ó 9×1020. Por tanto, c2 es igual a 900.000.000.000.000.000.000. Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×1020 ergios de energía.

Resultado de imagen de ergio unidades

El ergio es una unida muy pequeña de energía que equivale a: “Unidad de trabajo o energía utilizado en el sistema c.g.s y actúa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10-7 julios”. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energía daría 2’2 × 1010 (22 millones) de kilocalorías.  Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.

O digámoslo de otro modo: si fuese posible convertir en energía eléctrica la energía representada por un solo gramo de materia, bastaría para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años.

Claro que la luz, también es mucho más que todo eso y es una manisfestación electromagnetica como el resto de las radiaciones. A medida que la luz va desde una galaxia a otra más distante, esa luz se extiende como lo hace el espacio y eso hace que la luz, cuya longitud de onda es intrínsecamente corta, se convierta gradualmente en luz roja de longitud de onda más larga. Esa es la causa del desplazamiento hacia el rojo de los espectros de luz de las galaxias distantes.

¿Cómo se convierte el  “desplazamiento hacia el rojo” en una manera para medir distancias en el Universo? Todo se debe a un sorprendente descubrimiento realizado en 1926 en el observatorio del monte Wilson, cerca de Los Ángeles. Allí Edwin Hubble descubrió que el Universo se está expandiendo. Fue un hallazgo increíble, pues nadie se esperaba algo así. Al haber  “desplazamientos hacia el rojo” en todas direcciones, Hubble descubrió que todas las galaxias distantes del Universo se estaban separando entre sí, algo que hoy sabemos que está causado por la expansión del propio espacio.

                                                                         Efecto  Doppler

Vista desde la Tierra una galaxia no parece alejarse, pero sabemos que sí ocurre porque su luz en espectro aparece más desplazada hacia la zona del rojo de lo habitual para los elementos químicos que nos llegan de la misma. Una galaxia que se aleje a poca velocidad adquirirá un ligero tono rojizo, pero una galaxia que se aleje más rápidamente adquirirá un rojo más intenso, un mayor “desplazamiento hacia el rojo”. Pero Hubble también descubrió que las galaxias que se mueven a mayor velocidad, también son las que están más alejadas. Eso significa que cuanto mayor sea el  “desplazamiento hacia el rojo”, más lejos estará la galaxia.

Averiguando la velocidad de expansión del espacio y realizando los cálculos inversos, los cosmólogos han podido estimar la edad del Universo en unos 13700 millones de años. Así que lo más lejos que podemos observar en cualquier dirección es 13700 millones de años luz. La luz no ha podido viajar más. Es el denominado “Universo observable”. Una esfera de poco menos de 13700 millones de años luz en todas direcciones que contiene todo lo que podemos ver. No hay razón para considerar que el “Universo observable” abarque todo el tamaño del Universo. Podría ser mayor, pero eso es lo que podríamos ver dado el tiempo que la luz ha viajado.
Resultado de imagen de Expansión del Universo en imágenes Gifs
Un astrónomo situado en una galaxia del extremo del horizonte no puede ver ninguna de las galaxias situadas en el otro extremo de nuestro Universo. Pero puede ver galaxias situadas a unos 13.700 millones de años luz en la otra dirección y así sucesivamente. Por lo que respecta a los astrónomos de la Tierra, el límite de la velocidad de la luz los tiene atrapados. Si nos preguntáramos que está ocurriendo más allá de nuestro “Universo observable” tendríamos que afrontar el hecho de que la velocidad de la luz es realmente una barrera.

 

El GPS consta de una red de 24 satélites, que orbitan en la Tierra a una altura de 20000 km sobre la superficie. En cualquier momento, cualquier vehículo donde se halle instalado recibe la señal de al menos 4 satélites y compara la duración de las distancias a que se encuentran, a la velocidad de la luz, para calcular su ubicación exacta  en la superficie. Todo el sistema depende de relojes extraordinariamente precisos y cuando los ingenieros los diseñaron sabían que los satélites se moverían a casi 11300 km/h, una velocidad suficiente para ralentizar sus relojes una diminuta fracción de segundo. Los ingenieros incluyeron en el sistema todas las diferencias de tiempo relativistas y eso les ha conferido una precisión impresionante. Como los relojes de los satélites avanzan a unas velocidades diferentes que los relojes situados sobre la Tierra, sin estas correcciones relativistas la posición del vehículo sería errónea.

                                                             Sistema  GPS

La distorsión del tiempo es sólo una de las extrañas consecuencias de viajar con velocidades próximas a las de la luz. Imaginemos que  continuamos con la “bici” pedaleando a velocidades próximas a las de la luz, entonces el espacio comienza a hacer cosas extrañas para el ciclista y para la bicicleta. Un observador apreciaría que la longitud de la bicicleta disminuye en la dirección del movimiento, que se encoge en dicha dirección. Este efecto se conoce como  “contracción de la longitud” y junto con la  “dilatación del tiempo” son percibidos así por un observador inmóvil cuando ve algo que se mueve con velocidades próximas a la de la luz.

Pero también el ciclista que se mueve a esta velocidad experimenta los efectos relativistas y su visión del mundo cambia radicalmente conforme su velocidad se aproxima a la de la luz. Las formas de las cosas comienzan a distorsionarse, todo se curva formándose una especie de túnel y los colores se van deformando también. Los cambios de color se explican por el fenómeno físico denominado  “efecto Doppler”, mientras que la distorsión de la forma ocurre por un fenómeno óptico denominado “aberración”.
La velocidad de la luz tiene otras peculiaridades en el lento movimiento de nuestro mundo. Peculiaridades que sí percibimos muy bien. La velocidad de la luz es constante, pero únicamente en el vacío del espacio. Cuando la luz atraviesa otros medios como el vidrio o algún fluido se ralentiza considerablemente. Si no lo hiciese así los telescopios o la visión humana, por ejemplo, no funcionarían.

La luz viaja más lentamente a través del agua, por eso vemos que la luz se refracta, se curva y se ondula cuando estamos bajo el agua. La vida tal y como la conocemos sería muy diferente si la luz no se propagara a velocidades diferentes a través de materiales diferentes. No podríamos ver y nuestros ojos no funcionarían igual. En un universo donde la luz se moviese a igual velocidad a través de todos los materiales, sabríamos muy poco del mundo que nos rodeara, sólo veríamos vagas manchas de luz y oscuridad. Esto ocurriría porque nuestros ojos dependen de unas lentes biológicas, los cristalinos, para enfocar las imágenes en nuestras  retinas. Al igual que las lentes de cristal funcionan porque la luz se ralentiza cuando las atraviesan. Pero, ¿por qué ocurre eso?. Porque la luz es absorbida por los átomos de cristal que la vuelven a irradiar a continuación, de manera que existe un retardo. La luz golpea un átomo que vibra y entonces reenvía la luz, de ahí viene el retardo. Este retardo también hace que la luz se curve cuando encuentra un cristal en forma de lente. Si se curva de forma adecuada la luz puede ser enfocada, recogida y ampliada. Para los astrónomos nada puede ser más importante. Menos mal que la luz se ralentiza cuando pasa a través del cristal, porque esa es la razón de que poseamos telescopios. Los tenemos gracias a que la luz se curva cuando atraviesa el cristal, así podemos concentrar grandes cantidades de luz en un solo punto y eso nos permite contemplar las lejanas maravillas del Universo. La luz pasa a través de la lente del telescopio a 200000 km/s, 2/3 de su velocidad en el vacío.
Resultado de imagen de La velocidad de la luz---- muro impenetrable
            Tendremos que buscar otras fórmulas, otros caminos para viajar burlando el muro de c

Aún nos enfrentamos a la velocidad de la luz como un muro impenetrable. Una velocidad que según Einstein nunca podrá ser rebasada. Sin embargo la Historia está llena de imposibles que se hicieron realidad. Por ejemplo, ¿seremos capaces de alcanzar las estrellas en naves que viajen más rápidas que la velocidad de la luz? Y si es así, ¿cuándo?

Esa es la idea básica del concepto de  “Agujero de gusano”, plegar el espacio sobre sí mismo y tomar un atajo a través del Universo. Hoy, naturalmente, esta idea pertenece aún al ámbito de la ciencia ficción. ¿Pero que aspecto tendría una máquina de agujeros de gusano? Probablemente sería enorme y su equipamiento podría estar situado sobre un gran número de asteroides, dispuestos sobre una esfera gigantesca. Una gran batería de rayos láser concentraría una enorme cantidad de energía sobre un solo punto. Habría que alcanzar una temperatura increíble con el fin de abrir un agujero, una burbuja o puerta que quizás nos llevase a otra parte del  Universo.
                            Nave interestelar de ficción
       
Otra estrategia diferente que nos permitiría viajar por el espacio a mayor velocidad que la luz es el  “Impulso por deformación” que en la literatura de ciencia ficción también se denomina “motor de curvatura”. ¿Qué puede frenar o poner límites a nuestra imaginación.
En realidad, yo estaba hablando de que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa y de que, la velocidad de la luz produce extraños efectos para los objetos que tratan de sobrepasarlas, ?que digo? que tratan de acercarse a ella. Ya lo hemos visto más arriba con los muones que se transforman en otra cosa a medida que la velcoidad de la luz está más cerca de la que ellos llevan.
                                           Hay cuestiones que aún no podemos explicar
También aquí, en nuestro Sol, está presente la famosa ecuación de Einstein, por medio de lo que ella explica, es posible que las estrellas brillen en el cielo, que la Tierra tenga la luz y el calor necesarios para la vida y que las plantas puedan realizar su necesaria fotosíntesis.
emilio silvera
 


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