¿Por qué el universo tiene un límite de velocidad?

El universo parece tener un límite de velocidad, una velocidad máxima que nada puede superar. Pero ¿por qué esta velocidad no es infinita? Y ¿por qué resulta imposible alcanzarla con cualquier objeto que tenga masa?

 

El universo tiene un límite de velocidad: la velocidad de la luz en el vacío. Este límite impide a las partículas fundamentales viajar más rápido, independientemente de su energía, impide a las interacciones fundamentales propagarse de manera inmediata (haciendo que tardemos más de 8 minutos en sentir la gravedad del Sol) y, en general, impide que ningún tipo de información se propague por encima de esta velocidad. Aunque haya ciertas “cosas” que parecen moverse más rápido, ninguna de ellas lo hace. Ni el recorrido de un láser sobre la Luna tras zarandearlo, ni una posible nave espacial que consiguiera utilizar alguna tecnología tipo warpdrive.

En el primer caso, porque realmente no hay nada “moviéndose”, más allá de los fotones que viajan a la velocidad de la luz. El rastro que dejan esos fotones cuando agitamos el láser no es ninguna estructura, ni se puede transmitir información con él. En el caso de los motores warp, o de curvatura del espacio porque, de ser factibles (lo cual es cuestionable), estos estarían deformando el espaciotiempo de forma que, más que viajar muy rápido, estaríamos acortando la distancia a nuestro destino.


Por tanto la velocidad máxima que es capaz de alcanzar cualquier objeto del universo es la velocidad de la luz, llamada así, porque la luz fue el primer fenómeno que conocimos que viajaba a esa velocidad. Ahora sabemos que esta velocidad no es específica de la luz, sino de cualquier partícula sin masa. De hecho este concepto está íntimamente relacionado con el límite de velocidad de nuestro universo. No tener masa y viajar a la velocidad de la luz parecen ser lo mismo. Por tanto preguntémonos, ¿qué significa que una partícula no tenga masa?

Para responder a esto antes necesitaremos saber qué es una partícula y qué es la masa. Empecemos entonces con qué es una partícula. Tal vez ahora tengas en mente una bolita de algún color llamativo, moviéndose por el espacio. El concepto de partícula como una bolita muy pequeña es algo que nos hemos inventado para hacernos la vida (y la física) más fácil. Para entender ciertas ecuaciones y muchos fenómenos es muy útil esa imagen de partícula, pero el universo no es tan simple y las partículas, al menos como nos las imaginamos, no existen. Lo que existen son los campos cuánticos. Por tanto para seguir hablando de partículas nos contentaremos con decir que una partícula es cualquier cosa que pueda detectarse con un detector de partículas.

Es decir, imagina que tienes una fuente de fotones: una estrella, una bombilla o un láser. Imagina también que tienes un aparato que cada vez que le llega un fotón emite un pitido o aumenta un número en un contador. De alguna forma u otra podrías reducir la cantidad de fotones que llegan a este detector, situando filtros o pantallas con ranuras y agujeros justo delante, consiguiendo que acaben siendo detectados de uno en uno. Cada uno de esos objetos que llegan al detector de uno en uno es una partícula.

Por otro lado, la masa. Según la relatividad especial, la energía de una partícula tiene dos contribuciones fundamentales, cuando se mueve libremente por el espacio. Una de ellas es la energía que tiene la partícula por el hecho de estar moviéndose a cierta velocidad, su energía cinética. La otra es su energía en reposo, cuando no se está moviendo, su masa. ¿Qué significa por tanto que una partícula no tenga masa? Significa que no tiene esta contribución de energía en reposo, con lo que toda su energía es energía cinética, energía debida al movimiento. Esto significará que un fotón, puesto que su única energía es la debido al movimiento, deberá necesariamente moverse. No podrá estar en reposo.

Pero el reposo es relativo, depende de quién lo mida. Si vuelas en avión, claramente no estás en reposo, porque te mueves a 1 000 kilómetros por hora con respecto al suelo. Sin embargo, a todos los efectos, la persona que se sienta a tu lado, el resto de la tripulación y el fuselaje del avión están en reposo con respecto a ti. Su velocidad es cero con respecto a ti. Ni se alejan ni se acercan y, desde tu punto de vista, es el suelo, las nubes y el aire que rodea al avión quienes se mueven.

Por tanto, si un fotón tuviera una velocidad cualquiera, una velocidad que no fuera la máxima permitida en el universo, en principio podrías montarte en una nave espacial, ponerte a esa velocidad y decir que el fotón está en reposo con respecto a ti. Pero eso es imposible, porque el fotón no tiene energía en reposo. Entonces el fotón no tiene más remedio que viajar a la máxima velocidad posible, a la velocidad de la luz. O la velocidad de la luz no tiene más remedio que ser la velocidad a la que viajan los fotones y cualquier partícula sin masa.

La velocidad de la luz es la velocidad a la que se mueven las partículas cuya energía es completamente (al 100 % y no menos) energía cinética. Para una partícula con masa, su energía nunca será completamente cinética, porque por muy colosal que esta sea, siempre permanecerá la pequeña contribución correspondiente a la masa. Y esto significa que no tener masa y viajar a la velocidad de la luz, significan lo mismo.

Solo podríamos hacer que una partícula con masa alcanzara la velocidad de la luz dándole una energía cinética infinita. Esto por supuesto no es posible. Por tanto el universo parece tener un límite arbitrario de velocidad porque estamos mirando a la magnitud equivocada. Lo importante no es realmente la velocidad de la partícula, sino su energía cinética. Concretamente la relación entre energía cinética y energía en reposo. Si lo pensamos de este modo, el límite del universo está en el infinito (un muy buen lugar donde colocar un límite), en una cantidad infinitamente más grande de energía cinética que de energía en reposo.

Referencias:

E. F. Taylor, J. A. Wheeler, 1992, Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity, W. H. Freeman, ISBN 978-0-7167-2327-1

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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