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Más rápido que la luz

Como la esfera viaja más rápido que la luz, el observador no ve nada hasta que ya ha pasado. Entonces aparecen dos imágenes: una de la esfera llegando (a la derecha) y otra de ella saliendo (a la izquierda).

Los viajes y las comunicaciones a una velocidad superior a la de la luz ( superlumínicas o supercausales ) son la propagación conjetural de materia o información a una velocidad superior a la de la luz ( c ). La teoría especial de la relatividad implica que solo las partículas con masa en reposo cero (es decir, los fotones ) pueden viajar a la velocidad de la luz, y que nada puede viajar más rápido.

Se ha planteado la hipótesis de partículas cuya velocidad supera la de la luz ( taquiones ), pero su existencia violaría la causalidad e implicaría viajes en el tiempo . El consenso científico es que no existen.

Según todas las observaciones y teorías científicas actuales, la materia viaja a una velocidad más lenta que la de la luz ( subluminal ) con respecto a la región del espacio-tiempo localmente distorsionada. Los conceptos especulativos más rápidos que la luz incluyen el motor de Alcubierre , los tubos de Krasnikov , los agujeros de gusano atravesables y el efecto túnel cuántico . [1] [2] Algunas de estas propuestas encuentran lagunas en la relatividad general, como expandir o contraer el espacio para hacer que el objeto parezca viajar a una velocidad mayor que c . Todavía se cree ampliamente que tales propuestas son imposibles ya que todavía violan los entendimientos actuales de causalidad, y todas requieren mecanismos fantasiosos para funcionar (como requerir materia exótica ).

Viajes superlumínicos de no información

En el contexto de este artículo, "más rápido que la luz" significa la transmisión de información o materia a una velocidad superior a c , una constante igual a la velocidad de la luz en el vacío, que es 299.792.458 m/s (por definición del metro) [3] o aproximadamente 186.282,397 millas por segundo. Esto no es exactamente lo mismo que viajar más rápido que la luz, ya que:

Ninguno de estos fenómenos viola la relatividad especial ni crea problemas de causalidad y, por lo tanto, ninguno puede considerarse más rápido que la luz como se describe aquí.

En los siguientes ejemplos, ciertas influencias pueden parecer que viajan más rápido que la luz, pero no transmiten energía ni información más rápido que la luz, por lo que no violan la relatividad especial.

Movimiento diario del cielo

Para un observador terrestre, los objetos en el cielo completan una revolución alrededor de la Tierra en un día. Próxima Centauri , la estrella más cercana fuera del Sistema Solar , está a unos cuatro años luz y medio de distancia. [4] En este marco de referencia, en el que se percibe que Próxima Centauri se mueve en una trayectoria circular con un radio de cuatro años luz, podría describirse como que tiene una velocidad muchas veces mayor que c, ya que la velocidad del borde de un objeto que se mueve en un círculo es un producto del radio y la velocidad angular. [4] También es posible, en una vista geoestática , que objetos como los cometas varíen su velocidad de subluminal a superluminal y viceversa simplemente porque la distancia a la Tierra varía. Los cometas pueden tener órbitas que los llevan a más de 1000 UA . [5] La circunferencia de un círculo con un radio de 1000 UA es mayor que un día luz. En otras palabras, un cometa a esa distancia es superlumínico en un marco geoestático y, por lo tanto, no inercial.

Puntos de luz y sombras

Si un rayo láser se desplaza sobre un objeto distante, el punto de luz láser parece moverse a través del objeto a una velocidad mayor que c . [6] De manera similar, una sombra proyectada sobre un objeto distante parece moverse a través del objeto más rápido que c . [6] En ninguno de los casos la luz viaja desde la fuente al objeto más rápido que c , ni la información viaja más rápido que la luz. Ningún objeto se mueve en estos ejemplos. A modo de comparación, considere el agua que sale a chorros de una manguera de jardín cuando se balancea de un lado a otro: el agua no sigue instantáneamente la dirección de la manguera. [6] [7] [8]

Velocidades de cierre

La velocidad a la que dos objetos en movimiento en un mismo sistema de referencia se acercan se denomina velocidad mutua o de cierre. Puede aproximarse al doble de la velocidad de la luz, como en el caso de dos partículas que viajan a velocidades cercanas a la de la luz en direcciones opuestas con respecto al sistema de referencia.

Imaginemos que dos partículas que se mueven rápidamente se acercan entre sí desde lados opuestos de un acelerador de partículas del tipo colisionador. La velocidad de acercamiento sería la velocidad a la que disminuye la distancia entre las dos partículas. Desde el punto de vista de un observador que se encuentra en reposo respecto del acelerador, esta velocidad será ligeramente inferior al doble de la velocidad de la luz.

La relatividad especial no prohíbe esto. Nos dice que es incorrecto utilizar la relatividad galileana para calcular la velocidad de una de las partículas, como la mediría un observador que se desplazara junto a la otra partícula. Es decir, la relatividad especial proporciona la fórmula de adición de velocidad correcta para calcular dicha velocidad relativa .

Resulta instructivo calcular la velocidad relativa de las partículas que se mueven en v y − v en el marco del acelerador, que corresponde a la velocidad de cierre de 2 v  >  c . Expresando las velocidades en unidades de c , β  =  v / c :

Velocidades adecuadas

Si una nave espacial viaja a un planeta que se encuentra a un año luz de distancia de la Tierra (medido en el marco de referencia en reposo de la Tierra) a gran velocidad, el tiempo que tardará en llegar a ese planeta podría ser inferior a un año medido por el reloj del viajero (aunque siempre será superior a un año medido por un reloj en la Tierra). El valor obtenido al dividir la distancia recorrida, determinada en el marco de referencia de la Tierra, por el tiempo empleado, medido por el reloj del viajero, se conoce como velocidad propia o velocidad propia . No existe límite para el valor de una velocidad propia, ya que una velocidad propia no representa una velocidad medida en un único marco inercial. Una señal luminosa que saliera de la Tierra al mismo tiempo que el viajero siempre llegaría al destino antes que este.

Velocidades de fase anterioresdo

La velocidad de fase de una onda electromagnética , cuando viaja a través de un medio, puede superar rutinariamente c , la velocidad de vacío de la luz. Por ejemplo, esto ocurre en la mayoría de los vidrios a frecuencias de rayos X. [9] Sin embargo, la velocidad de fase de una onda corresponde a la velocidad de propagación de un componente teórico de una sola frecuencia (puramente monocromático ) de la onda a esa frecuencia. Tal componente de onda debe ser infinito en extensión y de amplitud constante (de lo contrario no es verdaderamente monocromático), y por lo tanto no puede transmitir ninguna información. [10] Por lo tanto, una velocidad de fase superior a c no implica la propagación de señales con una velocidad superior a c . [11]

Velocidades de grupo anterioresdo

La velocidad de grupo de una onda también puede superar c en algunas circunstancias. [12] [13] En tales casos, que típicamente al mismo tiempo implican una rápida atenuación de la intensidad, el máximo de la envolvente de un pulso puede viajar con una velocidad superior a c . Sin embargo, incluso esta situación no implica la propagación de señales con una velocidad superior a c , [14] aunque uno puede verse tentado a asociar los máximos de pulso con las señales. Se ha demostrado que esta última asociación es engañosa, porque la información sobre la llegada de un pulso se puede obtener antes de que llegue el máximo del pulso. Por ejemplo, si algún mecanismo permite la transmisión completa de la parte delantera de un pulso mientras se atenúa fuertemente el máximo del pulso y todo lo que está detrás (distorsión), el máximo del pulso se desplaza efectivamente hacia adelante en el tiempo, mientras que la información sobre el pulso no llega más rápido que c sin este efecto. [15] Sin embargo, la velocidad de grupo puede superar a c en algunas partes de un haz gaussiano en el vacío (sin atenuación). La difracción hace que el pico del pulso se propague más rápido, mientras que la potencia total no lo hace. [16]

Expansión cósmica

Según la ley de Hubble , la expansión del universo hace que las galaxias distantes se alejen de nosotros más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, la velocidad de recesión asociada con la ley de Hubble , definida como la tasa de aumento de la distancia propia por intervalo de tiempo cosmológico , no es una velocidad en un sentido relativista. Además, en la relatividad general , la velocidad es una noción local, y ni siquiera hay una definición única para la velocidad relativa de un objeto cosmológicamente distante. [17] Las velocidades de recesión cosmológica más rápidas que la luz son completamente un efecto de coordenadas .

Hay muchas galaxias visibles en telescopios con números de corrimiento al rojo de 1,4 o superiores. Todas ellas tienen velocidades de recesión cosmológica mayores que la velocidad de la luz. Debido a que el parámetro de Hubble disminuye con el tiempo, puede haber casos en los que una galaxia que se aleja de nosotros más rápido que la luz consiga emitir una señal que finalmente nos llegue. [18] [19] [20]

Sin embargo, debido a que la expansión del universo se está acelerando , se proyecta que la mayoría de las galaxias eventualmente cruzarán un tipo de horizonte de eventos cosmológico donde cualquier luz que emitan más allá de ese punto nunca podrá alcanzarnos en ningún momento en el futuro infinito, [21] porque la luz nunca alcanza un punto donde su "velocidad peculiar" hacia nosotros exceda la velocidad de expansión alejándose de nosotros (estas dos nociones de velocidad también se discuten en Distancias propias y distancias comovintes#Usos de la distancia propia ). La distancia actual a este horizonte de eventos cosmológico es de aproximadamente 16 mil millones de años luz, lo que significa que una señal de un evento que sucede en el presente eventualmente podría alcanzarnos en el futuro si el evento estuviera a menos de 16 mil millones de años luz de distancia, pero la señal nunca nos alcanzaría si el evento estuviera a más de 16 mil millones de años luz de distancia. [19]

Observaciones astronómicas

El aparente movimiento superlumínico se observa en muchas radiogalaxias , blazares , cuásares y, recientemente, también en microcuásares . El efecto fue predicho antes de que lo observara Martin Rees [ aclaración necesaria ] y puede explicarse como una ilusión óptica causada por el objeto que se mueve parcialmente en la dirección del observador, [22] cuando los cálculos de velocidad suponen que no es así. El fenómeno no contradice la teoría de la relatividad especial . Los cálculos corregidos muestran que estos objetos tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz (en relación con nuestro marco de referencia). Son los primeros ejemplos de grandes cantidades de masa que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. [23] Los laboratorios terrestres solo han podido acelerar pequeñas cantidades de partículas elementales a tales velocidades.

Mecánica cuántica

Ciertos fenómenos de la mecánica cuántica , como el entrelazamiento cuántico , pueden dar la impresión superficial de permitir la comunicación de información a una velocidad superior a la de la luz. Según el teorema de no comunicación, estos fenómenos no permiten una comunicación verdadera; sólo permiten que dos observadores en diferentes lugares vean el mismo sistema simultáneamente, sin ninguna forma de controlar lo que ve cada uno. El colapso de la función de onda puede considerarse un epifenómeno de la decoherencia cuántica, que a su vez no es nada más que un efecto de la evolución temporal local subyacente de la función de onda de un sistema y de todo su entorno. Dado que el comportamiento subyacente no viola la causalidad local ni permite la comunicación a una velocidad superior a la de la luz, se deduce que tampoco lo hace el efecto adicional del colapso de la función de onda, ya sea real o aparente.

El principio de incertidumbre implica que los fotones individuales pueden viajar distancias cortas a velocidades algo más rápidas (o más lentas) que c , incluso en el vacío; esta posibilidad debe tenerse en cuenta al enumerar los diagramas de Feynman para una interacción de partículas. [24] Sin embargo, en 2011 se demostró que un solo fotón no puede viajar más rápido que c . [25]

En la prensa popular se han publicado varios artículos sobre experimentos de transmisión más rápida que la luz en óptica, la mayoría de las veces en el contexto de una especie de fenómeno de efecto túnel cuántico . Por lo general, estos artículos tratan de una velocidad de fase o de grupo más rápida que la velocidad de la luz en el vacío. [26] [27] Sin embargo, como se ha indicado anteriormente, una velocidad de fase superlumínica no se puede utilizar para la transmisión de información más rápida que la luz [28] [29]

Efecto Hartman

El efecto Hartman es el efecto túnel a través de una barrera, en el que el tiempo de túnel tiende a ser constante para barreras grandes. [30] [31] Esto podría ser, por ejemplo, el espacio entre dos prismas. Cuando los prismas están en contacto, la luz pasa directamente a través de ellos, pero cuando hay un espacio, la luz se refracta. Existe una probabilidad distinta de cero de que el fotón atraviese el espacio en lugar de seguir la trayectoria refractada.

Sin embargo, se ha afirmado que el efecto Hartman no puede realmente usarse para violar la relatividad al transmitir señales más rápido que c , también porque el tiempo de tunelización "no debería estar vinculado a una velocidad ya que las ondas evanescentes no se propagan". [32] Las ondas evanescentes en el efecto Hartman se deben a partículas virtuales y a un campo estático que no se propaga, como se mencionó en las secciones anteriores para la gravedad y el electromagnetismo.

Efecto Casimir

En física, la fuerza de Casimir-Polder es una fuerza física ejercida entre objetos separados debido a la resonancia de la energía del vacío en el espacio intermedio entre los objetos. Esto a veces se describe en términos de partículas virtuales que interactúan con los objetos, debido a la forma matemática de una posible manera de calcular la intensidad del efecto. Debido a que la intensidad de la fuerza disminuye rápidamente con la distancia, solo se puede medir cuando la distancia entre los objetos es extremadamente pequeña. Debido a que el efecto se debe a partículas virtuales que median un efecto de campo estático, está sujeto a los comentarios sobre campos estáticos discutidos anteriormente.

Paradoja del EPR

La paradoja EPR hace referencia a un famoso experimento mental de Albert Einstein , Boris Podolsky y Nathan Rosen, que Alain Aspect realizó experimentalmente por primera vez en 1981 y 1982 en el experimento Aspect . En este experimento, las dos mediciones de un estado entrelazado están correlacionadas incluso cuando las mediciones están alejadas de la fuente y entre sí. Sin embargo, no se puede transmitir información de esta manera; la respuesta a si la medición afecta o no realmente al otro sistema cuántico depende de la interpretación de la mecánica cuántica que uno adopte.

Un experimento realizado en 1997 por Nicolas Gisin ha demostrado correlaciones cuánticas entre partículas separadas por más de 10 kilómetros. [33] Pero como se señaló anteriormente, las correlaciones no locales observadas en el entrelazamiento no pueden usarse en realidad para transmitir información clásica más rápido que la luz, de modo que se preserva la causalidad relativista. La situación es similar a compartir un lanzamiento de moneda sincronizado, donde la segunda persona que lanza su moneda siempre verá lo opuesto de lo que ve la primera persona, pero ninguno tiene forma de saber si fue el primero o el segundo lanzador, sin comunicarse clásicamente. Ver el teorema de no comunicación para más información. Un experimento de física cuántica de 2008 también realizado por Nicolas Gisin y sus colegas ha determinado que en cualquier teoría hipotética de variable oculta no local , la velocidad de la conexión cuántica no local (lo que Einstein llamó "acción fantasmal a distancia") es al menos 10.000 veces la velocidad de la luz. [34]

Borrador cuántico de elección retrasada

El borrador cuántico de elección retardada es una versión de la paradoja EPR en la que la observación (o no) de interferencias tras el paso de un fotón a través de un experimento de doble rendija depende de las condiciones de observación de un segundo fotón entrelazado con el primero. La característica de este experimento es que la observación del segundo fotón puede tener lugar en un momento posterior a la observación del primer fotón, [35] lo que puede dar la impresión de que la medición de los fotones posteriores determina "retroactivamente" si los fotones anteriores muestran interferencias o no, aunque el patrón de interferencias solo se puede ver correlacionando las mediciones de ambos miembros de cada par y, por lo tanto, no se puede observar hasta que se hayan medido ambos fotones, lo que garantiza que un experimentador que observe solo los fotones que pasan por la rendija no obtenga información sobre los otros fotones de una manera más rápida que la luz o hacia atrás en el tiempo. [36] [37]

Comunicación superlumínica

Según la relatividad, la comunicación más rápida que la luz es equivalente a viajar en el tiempo . Lo que medimos como velocidad de la luz en el vacío (o cerca del vacío) es en realidad la constante física fundamental c . Esto significa que todos los observadores inerciales y, para la velocidad de la luz coordinada, los observadores no inerciales, independientemente de su velocidad relativa , siempre medirán partículas de masa cero, como los fotones que viajan a c en el vacío. Este resultado significa que las mediciones de tiempo y velocidad en diferentes marcos ya no están relacionadas simplemente por cambios constantes, sino que están relacionadas por transformaciones de Poincaré . Estas transformaciones tienen implicaciones importantes:

Justificaciones

Vacío de Casimir y efecto túnel cuántico

La relatividad especial postula que la velocidad de la luz en el vacío es invariante en sistemas inerciales . Es decir, será la misma desde cualquier sistema de referencia que se mueva a una velocidad constante. Las ecuaciones no especifican ningún valor particular para la velocidad de la luz, que es una cantidad determinada experimentalmente para una unidad fija de longitud. Desde 1983, la unidad de longitud del SI (el metro ) se ha definido utilizando la velocidad de la luz .

La determinación experimental se ha realizado en el vacío. Sin embargo, el vacío que conocemos no es el único vacío posible que puede existir. El vacío tiene energía asociada a él, llamada simplemente energía de vacío , que tal vez podría alterarse en ciertos casos. [43] Cuando se reduce la energía del vacío, se ha predicho que la propia luz viajará más rápido que el valor estándar c . Esto se conoce como el efecto Scharnhorst . Tal vacío se puede producir juntando dos placas de metal perfectamente lisas con una separación cercana al diámetro atómico. Se llama vacío de Casimir . Los cálculos implican que la luz viajará más rápido en tal vacío en una cantidad minúscula: un fotón que viaja entre dos placas que están separadas por 1 micrómetro aumentaría la velocidad del fotón solo en aproximadamente una parte en 10 36 . [44] En consecuencia, hasta ahora no ha habido una verificación experimental de la predicción. Un análisis reciente [45] sostuvo que el efecto Scharnhorst no puede utilizarse para enviar información hacia atrás en el tiempo con un único conjunto de placas, ya que el marco de reposo de las placas definiría un " marco preferido " para la señalización FTL. Sin embargo, con múltiples pares de placas en movimiento entre sí, los autores señalaron que no tenían argumentos que pudieran "garantizar la ausencia total de violaciones de causalidad", e invocaron la conjetura especulativa de protección de la cronología de Hawking , que sugiere que los bucles de retroalimentación de partículas virtuales crearían "singularidades incontrolables en la energía de estrés cuántico renormalizada" en el límite de cualquier máquina del tiempo potencial, y por lo tanto requeriría una teoría de la gravedad cuántica para analizarlo por completo. Otros autores sostienen que el análisis original de Scharnhorst, que parecía mostrar la posibilidad de señales más rápidas que c , implicaba aproximaciones que pueden ser incorrectas, por lo que no está claro si este efecto podría realmente aumentar la velocidad de la señal. [46]

Más tarde, Eckle et al. afirmaron que el efecto túnel de partículas efectivamente ocurre en tiempo real cero. [47] Sus pruebas implicaron el efecto túnel de electrones, donde el grupo sostuvo que una predicción relativista para el tiempo de efecto túnel debería ser de 500 a 600 attosegundos (un attosegundo es una quintillónésima (10 −18 ) de un segundo). Todo lo que se pudo medir fueron 24 attosegundos, que es el límite de la precisión de la prueba. Sin embargo, nuevamente, otros físicos creen que los experimentos de efecto túnel en los que las partículas parecen pasar tiempos anómalamente cortos dentro de la barrera son de hecho completamente compatibles con la relatividad, aunque hay desacuerdo sobre si la explicación implica la remodelación del paquete de ondas u otros efectos. [48] [49] [50]

Renunciar a la relatividad (absoluta)

Debido al fuerte apoyo empírico de la relatividad especial , cualquier modificación de la misma debe ser necesariamente bastante sutil y difícil de medir. El intento más conocido es la relatividad doblemente especial , que postula que la longitud de Planck también es la misma en todos los marcos de referencia, y está asociada con el trabajo de Giovanni Amelino-Camelia y João Magueijo . [51] [52] Hay teorías especulativas que afirman que la inercia es producida por la masa combinada del universo (por ejemplo, el principio de Mach ), lo que implica que el marco de reposo del universo podría ser preferido por las mediciones convencionales de la ley natural. Si se confirma, esto implicaría que la relatividad especial es una aproximación a una teoría más general, pero dado que la comparación relevante estaría (por definición) fuera del universo observable , es difícil imaginar (y mucho menos construir) experimentos para probar esta hipótesis. A pesar de esta dificultad, se han propuesto tales experimentos. [53]

Distorsión del espacio-tiempo

Aunque la teoría de la relatividad especial prohíbe que los objetos tengan una velocidad relativa mayor que la velocidad de la luz, y la relatividad general se reduce a la relatividad especial en un sentido local (en pequeñas regiones del espacio-tiempo donde la curvatura es insignificante), la relatividad general permite que el espacio entre objetos distantes se expanda de tal manera que tengan una " velocidad de recesión " que exceda la velocidad de la luz, y se cree que las galaxias que están a una distancia de más de 14 mil millones de años luz de nosotros hoy tienen una velocidad de recesión que es más rápida que la luz. [19] Miguel Alcubierre teorizó que sería posible crear un motor de curvatura , en el que una nave estaría encerrada en una "burbuja de curvatura" donde el espacio en la parte delantera de la burbuja se contrae rápidamente y el espacio en la parte trasera se expande rápidamente, con el resultado de que la burbuja puede alcanzar un destino distante mucho más rápido que un rayo de luz que se mueve fuera de la burbuja, pero sin que los objetos dentro de la burbuja viajen localmente más rápido que la luz. [54] Sin embargo, varias objeciones planteadas contra el motor de Alcubierre parecen descartar la posibilidad de utilizarlo realmente de manera práctica. Otra posibilidad predicha por la relatividad general es el agujero de gusano atravesable , que podría crear un atajo entre puntos arbitrariamente distantes en el espacio. Al igual que con el motor de Alcubierre, los viajeros que se mueven a través del agujero de gusano no se moverían localmente más rápido que la luz que viaja a través del agujero de gusano junto a ellos, pero podrían llegar a su destino (y regresar a su ubicación de partida) más rápido que la luz que viaja fuera del agujero de gusano.

Gerald Cleaver y Richard Obousy, profesor y estudiante de la Universidad de Baylor , teorizaron que manipular las dimensiones espaciales adicionales de la teoría de cuerdas alrededor de una nave espacial con una cantidad extremadamente grande de energía crearía una "burbuja" que podría hacer que la nave viajara más rápido que la velocidad de la luz. Para crear esta burbuja, los físicos creen que manipular la décima dimensión espacial alteraría la energía oscura en tres grandes dimensiones espaciales: altura, ancho y largo. Cleaver dijo que la energía oscura positiva es actualmente responsable de acelerar la tasa de expansión de nuestro universo a medida que avanza el tiempo. [55]

Violación de la simetría de Lorentz

La posibilidad de que la simetría de Lorentz pueda ser violada ha sido considerada seriamente en las últimas dos décadas, particularmente después del desarrollo de una teoría de campo efectivo realista que describe esta posible violación, la llamada Extensión del Modelo Estándar . [56] [57] [58] Este marco general ha permitido búsquedas experimentales mediante experimentos de rayos cósmicos de energía ultra alta [59] y una amplia variedad de experimentos en gravedad, electrones, protones, neutrones, neutrinos, mesones y fotones. [60] La ruptura de la invariancia de rotación y de impulso causa dependencia de la dirección en la teoría, así como dependencia de energía no convencional que introduce efectos novedosos, incluyendo oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz y modificaciones a las relaciones de dispersión de diferentes especies de partículas, que naturalmente podrían hacer que las partículas se muevan más rápido que la luz.

En algunos modelos de ruptura de la simetría de Lorentz se postula que la simetría sigue estando incorporada en las leyes más fundamentales de la física, pero que la ruptura espontánea de la invariancia de Lorentz [61] poco después del Big Bang podría haber dejado un "campo de reliquias" en todo el universo que hace que las partículas se comporten de manera diferente dependiendo de su velocidad relativa al campo; [62] sin embargo, también hay algunos modelos en los que la simetría de Lorentz se rompe de una manera más fundamental. Si la simetría de Lorentz puede dejar de ser una simetría fundamental en la escala de Planck o en alguna otra escala fundamental, es concebible que las partículas con una velocidad crítica diferente de la velocidad de la luz sean los constituyentes últimos de la materia.

En los modelos actuales de violación de la simetría de Lorentz, se espera que los parámetros fenomenológicos dependan de la energía. Por lo tanto, como se reconoce ampliamente, [63] [64] los límites de baja energía existentes no se pueden aplicar a fenómenos de alta energía; sin embargo, se han llevado a cabo muchas búsquedas de violación de la simetría de Lorentz a altas energías utilizando la Extensión del Modelo Estándar . [60] Se espera que la violación de la simetría de Lorentz se vuelva más fuerte a medida que uno se acerca a la escala fundamental.

Teorías superfluidas del vacío físico

En este enfoque, el vacío físico se considera como un superfluido cuántico que es esencialmente no relativista, mientras que la simetría de Lorentz no es una simetría exacta de la naturaleza sino más bien la descripción aproximada válida solo para las pequeñas fluctuaciones del fondo superfluido. [65] En el marco del enfoque, se propuso una teoría en la que se conjetura que el vacío físico es un líquido cuántico de Bose cuya función de onda del estado fundamental se describe mediante la ecuación logarítmica de Schrödinger . Se demostró que la interacción gravitacional relativista surge como el modo de excitación colectiva de pequeña amplitud [66] mientras que las partículas elementales relativistas pueden describirse mediante los modos similares a partículas en el límite de momentos bajos. [67] El hecho importante es que a velocidades muy altas, el comportamiento de los modos similares a partículas se vuelve distinto del relativista : pueden alcanzar el límite de la velocidad de la luz a energía finita; también, la propagación más rápida que la luz es posible sin requerir que los objetos en movimiento tengan una masa imaginaria . [68] [69]

Resultados del vuelo de neutrinos FTL

Experimento MINOS

En 2007, la colaboración MINOS publicó resultados que medían el tiempo de vuelo de neutrinos de 3 GeV , que arrojaban una velocidad que superaba la de la luz en un valor de 1,8 sigma. [70] Sin embargo, se consideró que esas mediciones eran estadísticamente consistentes con neutrinos que viajaban a la velocidad de la luz. [71] Después de que los detectores del proyecto se actualizaran en 2012, MINOS corrigió su resultado inicial y encontró que coincidía con la velocidad de la luz. Se realizarán más mediciones. [72]

Anomalía de neutrinos OPERA

El 22 de septiembre de 2011, una preimpresión [73] de la Colaboración OPERA indicó la detección de neutrinos muónicos de 17 y 28 GeV, enviados a 730 kilómetros (454 millas) desde el CERN cerca de Ginebra, Suiza , al Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia, viajando más rápido que la luz en una cantidad relativa de 1000 000 veces la velocidad de la luz.2,48 × 10 −5 (aproximadamente 1 en 40.000), una estadística con una significancia de 6,0 sigma. [74] El 17 de noviembre de 2011, un segundo experimento de seguimiento realizado por científicos de OPERA confirmó sus resultados iniciales. [75] [76] Sin embargo, los científicos se mostraron escépticos sobre los resultados de estos experimentos, cuya significancia fue cuestionada. [77] En marzo de 2012, la colaboración ICARUS no logró reproducir los resultados de OPERA con su equipo, detectando un tiempo de viaje de neutrinos desde el CERN al Laboratorio Nacional Gran Sasso indistinguible de la velocidad de la luz. [78] Más tarde, el equipo de OPERA informó de dos fallos en la configuración de su equipo que habían causado errores muy fuera de su intervalo de confianza original : un cable de fibra óptica conectado incorrectamente, que provocó las mediciones aparentemente más rápidas que la luz, y un oscilador de reloj que funcionaba demasiado rápido. [79]

Taquiones

En la relatividad especial, es imposible acelerar un objeto hasta la velocidad de la luz, o que un objeto masivo se mueva a la velocidad de la luz. Sin embargo, podría ser posible que exista un objeto que siempre se mueva más rápido que la luz. Las partículas elementales hipotéticas con esta propiedad se denominan taquiones o partículas taquiónicas. Los intentos de cuantificarlas no lograron producir partículas más rápidas que la luz, y en cambio demostraron que su presencia conduce a una inestabilidad. [80] [81]

Varios teóricos han sugerido que el neutrino podría tener una naturaleza taquiónica, [82] [83] [84] [85] mientras que otros han cuestionado esta posibilidad. [86]

Relatividad general

La relatividad general se desarrolló después de la relatividad especial para incluir conceptos como la gravedad . Mantiene el principio de que ningún objeto puede acelerar a la velocidad de la luz en el marco de referencia de cualquier observador coincidente. [ cita requerida ] Sin embargo, permite distorsiones en el espacio-tiempo que permiten que un objeto se mueva más rápido que la luz desde el punto de vista de un observador distante. [ cita requerida ] Una de esas distorsiones es el motor de Alcubierre , que puede considerarse como la producción de una onda en el espacio-tiempo que arrastra un objeto junto con ella. Otro sistema posible es el agujero de gusano , que conecta dos ubicaciones distantes como si fuera un atajo. Ambas distorsiones necesitarían crear una curvatura muy fuerte en una región altamente localizada del espacio-tiempo y sus campos de gravedad serían inmensos. Para contrarrestar la naturaleza inestable y evitar que las distorsiones colapsen bajo su propio "peso", uno necesitaría introducir materia exótica hipotética o energía negativa.

La relatividad general también reconoce que cualquier medio de viaje más rápido que la luz también podría usarse para viajar en el tiempo . Esto plantea problemas con la causalidad . Muchos físicos creen que los fenómenos anteriores son imposibles y que las futuras teorías de la gravedad los prohibirán. Una teoría afirma que los agujeros de gusano estables son posibles, pero que cualquier intento de usar una red de agujeros de gusano para violar la causalidad resultaría en su desintegración. [ cita requerida ] En la teoría de cuerdas , Eric G. Gimon y Petr Hořava han argumentado [87] que en un universo de Gödel supersimétrico de cinco dimensiones , las correcciones cuánticas a la relatividad general cortan efectivamente las regiones del espacio-tiempo con curvas temporales cerradas que violan la causalidad. En particular, en la teoría cuántica está presente un supertubo manchado que corta el espacio-tiempo de tal manera que, aunque en el espacio-tiempo completo una curva temporal cerrada pasó por cada punto, no existen curvas completas en la región interior delimitada por el tubo.

En la ficción y la cultura popular

Los viajes FTL son un recurso argumental común en la ciencia ficción . [88]

Véase también

Notas

  1. ^ "El tiempo de efecto túnel cuántico se mide utilizando átomos ultrafríos". Physics World . 22 de julio de 2020.
  2. ^ "Revista Quanta". 20 de octubre de 2020.
  3. ^ "La 17ª Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM): Definición del metro". bipm.org . Archivado desde el original el 27 de mayo de 2020 . Consultado el 5 de julio de 2020 .
  4. ^ ab University of York Science Education Group (2001). Salter Horners Advanced Physics A2 Student Book . Heinemann. págs. 302-303. ISBN 978-0435628925.
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Lectura adicional

Enlaces externos

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