La velocidad de las cosas que no pueden pararse: ¿por qué es especial la velocidad de la luz?

Todos hemos escuchado alguna vez que no se puede ir más rápido que la velocidad de la luz. Es una predicción que tiene más de cien años: emerge de los trabajos publicados por Einstein en el año 1905. Pero la velocidad de la luz es tan alta –exactamente 299.792,458 kilómetros por segundo– que difícilmente lo podemos comprobar en nuestra vida diaria. Por fortuna hay máquinas que sí nos permiten comprobarlo: en los experimentos de física de partículas podemos impulsar pequeños trozos de materia a estas velocidades gigantes, y comprobamos que alcanzan el 99% de la velocidad de la luz, el 99,99%... incluso el 99,999999%, pero nunca llegan a la velocidad de la luz. ¿Qué sentido tiene esto? ¿Cómo puede ser que haya una velocidad inalcanzable?

En primer lugar, coloquemos algunas piezas del puzle en su lugar: cuando los objetos se mueven rápido acumulan energía cinética. Esto significa, esencialmente, que un coche a 100 km/h puede provocar más destrozos que un coche a 5 km/h. Estamos acostumbrados a que hay una correlación clara entre velocidad y energía cinética: si un objeto tiene mucha más energía que otro será porque se mueve a una velocidad mucho más alta. Eso es lo que nos dice nuestra intuición, generada en el mundo de velocidades pequeñas en el que vivimos. Y eso es lo que la relatividad nos dice que debemos cambiar: a velocidades altas esa intuición es errónea. Lo que ocurre a velocidades altas es que los objetos siguen acumulando energía cinética –o sea, su capacidad para romper cosas sigue aumentando–, pero su velocidad “se estanca” y aumenta cada vez menos.

Veámoslo con un ejemplo. Imaginemos un objeto que se mueve al 99% de la velocidad de la luz. Ese objeto contiene cierta cantidad de energía cinética. Ahora imaginemos que le damos un empujón y le transmitimos la misma energía cinética que ya tenía: ahora tiene el doble. Como antes se movía al 99% de la velocidad de la luz nuestra intuición nos dice que ahora se tendrá que mover mucho más rápido. Sin embargo, vamos a las ecuaciones de la relatividad y éstas nos dicen que… su nueva velocidad es el 99,7% de la velocidad de la luz. O lo que es lo mismo: que ha costado la misma energía llevarlo desde 0 al 99% de la velocidad de la luz que llevarlo desde el 99% al 99,7%.

La relatividad, en definitiva, nos dice que la relación entre velocidad y energía cinética es un poco más complicada de lo que creíamos. Nuestra intuición acierta al pensar que los objetos pueden acumular tanta energía como quieran; yerra al deducir que eso significa que la velocidad crecerá correlativamente. Lo que ocurre es lo que hemos descrito: que cerca de la velocidad de la luz el aumento de velocidad se estanca. La velocidad sigue aumentando, pero cada vez hace falta más energía para hacerla crecer apenas un poquito más. De hecho, las ecuaciones nos dicen que sólo se podría alcanzar la velocidad de la luz con una cantidad infinita de energía cinética. Puesto que nadie tiene energía infinita, la velocidad de la luz es inalcanzable.

Dos tipos de movimiento

Esto, desde luego, plantea tantas preguntas como resuelve: ¿qué tiene de especial la luz para que su velocidad juegue este papel único en la física? ¿Tiene acaso la luz energía infinita, y por eso ella sí se puede mover a esta velocidad que es inalcanzable para todos los demás? La respuesta es que escondido dentro de la relatividad hay un principio del que solemos hablar poco: que en el universo hay dos tipos de objetos, muy diferentes entre sí y que siguen reglas un poco distintas. Por un lado están los objetos que pueden estar parados. Y por otro, los objetos que, si se pararan, dejarían de existir.

Einstein intuyó esta distinción en lo que él llamó el problema del rayo parado. En las etapas iniciales, cuando estaba aún cocinando la primera versión de la teoría de la relatividad, se imaginó qué ocurriría si pudiéramos ver un rayo de luz parado. En ese momento ya se sabía que la luz está formada por campos eléctricos y magnéticos que “tiran” el uno del otro: el campo eléctrico aumenta, eso hace que el campo magnético cambie, y al cambiar hace que el campo eléctrico también responda. El resultado de este tira y afloja es un pulso electromagnético que se mueve por el espacio: un rayo de luz. Einstein imaginó qué pasaría si pudiéramos parar ese pulso, y el resultado fue catastrófico: la única manera de que esté quieto es que los campos eléctrico y magnético dejen de oscilar, pero si eso ocurre… el rayo de luz desaparece.

Este razonamiento llevó a Einstein a conjeturar que quizá la luz nunca puede estar parada, que está en una especie de estado de “movimiento perpetuo”, ya que si se parara se convertiría en la nada. Tirando del hilo de esta idea surgió toda la teoría de la relatividad especial, que de forma natural distingue dos tipos de objetos. Por un lado estamos nosotros, que podemos estar parados y no dejamos de existir. Nosotros podemos absorber energía cinética y cambiar nuestra velocidad, pero nunca podemos llegar a movernos a la velocidad de la luz, porque para eso necesitaríamos energía infinita. Y por otro lado están los objetos que son “movimiento puro”, como la luz: objetos que sólo pueden existir si se están moviendo. Para ellos la teoría genera una velocidad especial, que es la única a la que se pueden mover: la velocidad de la luz. Estos objetos especiales no pueden ganar ni perder velocidad, y su energía no es energía cinética: está relacionada con otras propiedades – como el color, en el caso de la luz.

Estas reglas tan peculiares le permiten a la relatividad hilar muy fino, de forma que todo tenga sentido. Si nosotros pudiéramos movernos a la velocidad de la luz podríamos ponernos al lado de un rayo de luz y lo veríamos parado, lo cual quiere decir que… ¡no veríamos nada! La existencia o no de la luz –y de la energía depositada en ella– dependería de la velocidad a la que yo me muevo. La teoría nos dice que eso no es aceptable, y para impedirlo se asegura que los objetos como nosotros jamás puedan moverse a la velocidad de la luz. Sólo las cosas que nacen a esa velocidad se pueden mover a esa velocidad, y no pueden moverse a ninguna otra. La velocidad de la luz es un oasis, un territorio seguro que la física crea para que objetos como la luz puedan existir.

Normalmente, en física utilizamos un lenguaje ligeramente distinto para referirnos a estos dos tipos de objetos. Los que podemos estar parados somos objetos con masa, y cuando estamos parados seguimos teniendo energía, que viene dada por la famosísima fórmula de Einstein, E=mc². Los objetos que no pueden estar parados son objetos sin masa, lo cual implica inmediatamente que si se pararan su energía sería E=0, o sea, no existirían. La luz no es el único objeto de este tipo: los gluones, partículas mediadoras de la interacción fuerte, o las ondas gravitacionales, también pertenecen a este club y también se mueven obligatoriamente a la velocidad de la luz.

De esta forma, la velocidad de la luz no es especial porque sea “de la luz”, sino más bien al revés: como la luz tiene ciertas propiedades especiales se mueve a esa velocidad, que es especial. Simplemente la luz era el único objeto conocido con estas propiedades cuando esto se descubrió. Tampoco es arbitrario o sorprendente que nosotros, seres con masa, no podamos alcanzar esa velocidad: es el mecanismo de seguridad que la física ha diseñado para que objetos como la luz puedan seguir existiendo.

QUE NO TE LA CUELEN

• La relatividad es una teoría sutil, difícil de resumir en una frase corta. Podemos decir “nada puede moverse más rápido que la luz”, y es una afirmación totalmente cierta, pero para entender cuál es la lógica debajo de ella tenemos que mirar un poco más profundo.
• Aunque es un sueño recurrente de la ciencia-ficción, lo cierto es que todo indica que no es posible viajar más rápido que la luz. Muchas de las ecuaciones de la relatividad dejan de tener sentido por encima de la velocidad de la luz, y no es posible hacer una “transición suave” entre velocidades bajas y velocidades superlumínicas, porque haría falta una cantidad infinita de energía. Además, nunca se ha encontrado un indicio experimental de que esas velocidades estén realizadas en la naturaleza.

REFERENCIAS

• Bert Janssen. Breve repaso de la Relatividad Especial (2005)