El límite de velocidad c

En este breve artículo esbozo unas ideas que creo que son innovadoras sobre la naturaleza de la velocidad de la luz en el vacío, c, como límite superior de velocidad. Deducir el valor exacto no es mi propósito, sino más bien intentar mostrar porqué existe un límite superior para la velocidad válido para cualquier móvil sea de la naturaleza que sea.

Velocidad, espacio y tiempo

La velocidad es una ratio o relación entre la variación de la posición de un "objeto móvil", que representamos por Δe y la variación del tiempo empleado en el cambio de posición, representado por Δt; por tanto, definimos v = Δe / Δt. A esta velocidad se la denomina velocidad media, mientras que la velocidad instantánea se define haciendo el límite cuando Δt tiende a ser la diferencial dt : v = de / dt, o sea la derivada de la función posición respecto a la variable tiempo. Para la discusión que sigue, no necesitamos hacer distinciones entre ambas definiciones. 

De esta simple definición no puede derivarse ningún límite a la velocidad; a medida que el móvil recorre una distancia dada en menos tiempo, la velocidad se incrementa sin límite superior. Fue la teoría de la relatividad especial la que descubrió que debe de haber un límite, que es precisamente el de la velocidad de la luz en el vacío, c, y lo hizo mostrando que de otro modo habrían incoherencias con la descripción de las leyes físicas en diversos sistemas de referencia en movimiento entre sí. Esto está ampliamente explicado en muchísimos textos y no lo trataremos aquí. Pero aún se plantea la pregunta ¿cómo puede ser que haya ese límite?, pues no es nada intuitivo para nuestra mente imaginar que no se puede incrementar la velocidad indefinidamente. Hace pocos días vi planteada esta pregunta en una red social de investigadores, y las respuestas eran muy técnicas, y por tanto, de nuevo, nada intuitivas. 

Espacio-tiempo y masa

Desde el "punto de vista" (más exactamente, desde el sistema de referencia) de un fotón, el cuanto de energía electromagnética, o en general, desde el punto de vista de la energía libre, no ligada a ningún objeto material, no existen las posiciones, ni el espacio, ni el tiempo; la realidad desde el punto de vista de la energía libre es un eterno aquí-ahora, sin separaciones. Esta afirmación, que puede parecer al lector algo mística, es consecuencia directa de la relatividad especial. En efecto, en relatividad el tiempo es relativo al sistema de referencia, y la relación entre el tiempo medido en dos sistemas distintos es:


Cuando la velocidad V del sistema de referencia en movimiento se hace igual a c, el denominador se anula y el tiempo medido en ese sistema se hace igual a ∞. ¿Que significa esto?  El reloj que mide el tiempo propio del sistema de referencia "energía libre" se para, de forma que cualquier cambio de posición necesita de un tiempo infinito para producirse. Esto puede verse también desde el punto de vista del espacio; la relación entre longitudes entre dos sistemas de referencia es:

Cuando v = c, vemos que la longitud del sistema "energía libre" se hace igual a 0, esto es, no hay longitudes, no hay distancias desde el "punto de vista" de la energía libre. Es por esto que el tiempo propio se hace infinito, pues no pueden haber cambios de posición, pues no hay distancias. 

Esta situación requiere que el sistema de referencia sea el de la energía libre; cuando la energía está ligada, o bien se produce masa, o bien la energía es absorbida por la materia. En efecto, también de la relatividad especial conocemos la relación E = mc² que relaciona masa con energía ligada. Cuando la luz que nos rodea incide sobre los objetos materiales, parte es reflejada y parte es absorbida por la materia. La misma materia que nos rodea es una energía fabulosa condensada. En el momento que la energía no es libre, sino que se relaciona con materia, o bien forma materia, en ese momento tiene sentido hablar de espacio-tiempo, pues la ligadura crea una posición en el espacio. Así pues, podemos decir que la presencia de masa crea el espacio-tiempo, y que en ausencia de masa no existe nada que pueda definirse como espacio o tiempo.

Significado del límite de velocidad

Supongamos que dos partículas con muy poca masa, procedentes de extremos opuestos de un acelerador de partículas, o de estrellas lejanas, tanto da, se acercan una a la otra, y cada una de ellas tiene una velocidad, en nuestro sistema de referencia, próxima a c, digamos, 0.9c. Sabemos por la relatividad que la velocidad relativa entre las dos partículas no será 0.9c + 0.9c = 1.8c  sino que se calculará con las transformaciones de Lorentz y siempre será menor que c. ¿Pero porque sucede esto, más allá de las ecuaciones? Evidentemente ha de ser una propiedad del espacio-tiempo la que lo explique. Hay que enfocarlo al revés: no es que haya un límite de velocidad, es que la materia está en el espacio-tiempo, y la energía libre no. Las partículas "casi inmateriales" están en el limbo entre materia y energía libre, pueden tener velocidades cercanas a c, pero aún están sometidas al espacio-tiempo. Además, recordemos que la velocidad es siempre relativa: es a nosotros, seres materiales, que nos parece medir una velocidad finita, pero para la energía es un concepto que no existe.

Entonces tenemos dos cuestiones relacionadas, con respuestas distintas:

  1. ¿Porqué hay una velocidad límite? El hecho de que exista el concepto de velocidad es debido a que existe un espacio-tiempo, el cual es generado por la presencia de materia, que es energía condensada. Desde el punto de vista referencial de la materia hay velocidad, desde el punto de vista de la energía libre no la hay. Supongamos que no existiera tal límite de velocidad; entonces en teoría un cuerpo material podría alcanzar una velocidad infinita. A esa velocidad, el cuerpo tendría el mismo "punto de vista" que la energía libre: el tiempo empleado en moverse entre dos puntos sería cero, y por tanto la distancia aparente sería también cero. Ese objeto estaría en todas partes a la vez, en un único instante; pero ese estado es contradictorio con su propia existencia como objeto con unas dimensiones y una posición, las cuales quedarían indeterminadas ... simplemente no sería un objeto material. 
  2. ¿Porqué esa velocidad límite es precisamente c, y para todos los objetos y todo el Universo? Esta pregunta es la que contesta la teoría de la relatividad.

En cambio no hay límite teórico para la aceleración

Si no hay espacio ni tiempo, no se puede definir la velocidad, ni tampoco la aceleración. En presencia de masa, tenemos espacio-tiempo, posición, velocidad, pero además se genera gravedad, la cual incluye la presencia de una aceleración intrínseca. Curiosamente no hay un límite teórico para la aceleración, como sí lo hay para la velocidad. ¿Porqué? En realidad debe de ser así, pues habiendo un límite para la velocidad en el espacio-tiempo, la aceleración necesaria para alcanzar esa velocidad ha de ser infinita.


Esto es así debido al cambio de masa producido a medida que aceleramos un objeto, M = ɣ donde M es la masa en movimiento, m la masa en reposo y ɣ es el factor de Lorentz, que tiende a infinito cuando la velocidad se acerca a c. No tenemos que imaginar que el objeto va adquiriendo materia a medida que acelera, lo que gana es masa inercial, o sea resistencia al cambio de velocidad.

Siendo equivalentes la masa inercial y la gravitatoria (principio de equivalencia de la relatividad general) se infiere que no hay límite para la aceleración causada por la gravedad. Ahora bien, en las cercanías de un agujero negro, la materia es acelerada tan fuertemente que el tiempo de aceleración es corto, la materia se disgrega en partículas fundamentales, las cuales se precipitan al agujero negro a velocidades cercanas a la de la luz.




Comentarios

  1. Es un límite superior de velocidad en cifras positivas, pero, si atrasasemos el tiempo no sería ya superior en términos negativos??

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    1. Es un límite absoluto, no importa la referencia temporal que tomes. De hecho, la constante c es universal, relacionada con la estructura del espacio-tiempo, el que la luz se mueva en el vacío precisamente a esa velocidad y de forma constante ha de tener un profundo significado, que nadie ha descrito completamente. O sea, no es que la luz "marque" un límite de velocidad, es que la luz (las ondas electromagnéticas) han de moverse a esa velocidad.

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