Reflexiones sobre la velocidad de la luz durante el confinamiento.
Viajes a través del espacio y el tiempo.
Ángela Valdés; algún momento entre el 15 de
marzo y el 15 mayo 2020.
¿Cómo
determinar que un reloj es más preciso que otro?, ¿cómo saber si los tic-tac de
un reloj son regulares?, ¿y cuánto de regulares?
Mis
preguntas ya tienen implícito que existe cambio en la naturaleza y que el ritmo
de este cambio puede medirse. Por algo hay que empezar; además esta manera de
pensar encaja bien con la noción intuitiva de tiempo que nuestra civilización
tecnológica ha ido adquiriendo.
Según
el profeta Newton, existe un reloj divino que marca el transcurso del tiempo
para todos los fenómenos y seres del universo. Para saber si un reloj real es
perfectamente preciso solamente tenemos que compararlo con el reloj divino.
Ahora, el reloj divino es inasible, solamente comportamientos idealizados
seguirían ese ritmo. Con un reloj real –y por reloj real entiendo cualquier
fenómeno que dé lugar a un comportamiento que se nos antoje bastante regular–
lo máximo que puedo hacer es compararlo con otros relojes reales. Si veo que un
reloj real se comporta muy parecido a otros relojes reales del mismo tipo
(pensemos por ejemplo en distintos relojes de cuarzo), nos empieza a gustar ese
tipo de reloj. Si basándonos en ellos resulta además relativamente simple
entender por qué otros tipos de relojes no son tan regulares como ellos, pues
más se acerca nuestro tipo de reloj real al ideal buscado. El reloj divino se
vería como el último peldaño (inalcanzable) de una escalera infinita de relojes
reales cada vez más precisos. Así, la descripción Newtoniana del mundo se basa
en un elemento, el reloj divino, cuya existencia real nunca podré conocer… ¡un
poco desasosegante!
Un
momento, ¿y si transliterara los tic-tacs de mis relojes en longitudes? Para
cada tic-tac de cada reloj real podría construir una varilla de longitud
precisa las cuales podría comparar poniéndolas juntas. Para hacer esa
transliteración solamente necesito encontrar un objeto que cuando lo empuje
viaje siempre a la misma velocidad; haciéndolo viajar el tiempo de un tic-tac
podría usarlo para construir su correspondiente varilla.
Pero,
vuelvo a tener problemas. ¿Cómo me aseguro de que el objeto viaja siempre a una
velocidad fija?, ¿con qué la mido?, ¿y qué tipo de objeto podría ser? Volvemos
a enfrentarnos a un problema similar al anterior, ahora con la medida de la
velocidad en lugar de la medida del tiempo. Ahora bien, según el profeta
Einstein un objeto tal parece existir. En una descripción abstracta, el objeto
es la propia “causalidad” cuando esta se hace extrema: cuando intentamos enviar
información de un lugar a otro en la forma más rápida posible encontramos que
hay una velocidad máxima insuperable; esta velocidad es a la que se mueve la
luz y las ondas gravitatorias (también los neutrinos si no tuvieran masa), es
lo que se conoce como la velocidad de la luz. Simplificando la
descripción, podemos decir que ese objeto milagroso es la luz (o los fotones de
los que se compone).
Pero
en mi búsqueda de precisión objetiva, demostrable, ¿cómo puedo saber que la luz
se mueve siempre y de forma exacta a la velocidad de la luz? ¡Pues no parece
que lo podamos saber! ¿Al final, el profeta Einstein solo nos ofreció unos
Dioses distintos?
La
visión de Einstein del mundo nos invita sin embargo a un giro inesperado. Dado
que la causalidad y la luz juegan un papel tan determinante en la física (casi
todo lo que observamos son fenómenos electromagnéticos), se puede tomar a la
velocidad de la luz como definitoria del ritmo del tiempo. Podemos pensar que
si cambiara la velocidad de la luz cambiarían de forma acorde todos los ritmos
del cosmos, incluidos nuestros bioritmos, incluso la velocidad de nuestros
pensamientos. Así, se puede tener la tranquilidad de que la velocidad de la luz
será siempre exactamente igual, sin sufrir por no poderla medir con seguridad:
aunque nuestra regla se estire siempre tendrá las marcas 0 y 1 metros en sus
extremos.
La
física moderna ha sintetizado el comportamiento del cosmos en una serie de
ecuaciones dinámicas para campos abstractos con comportamientos causales, es
decir, que tienen un parámetro con sabor a tiempo y unas velocidades máximas de
propagación. Sin embargo, el tiempo que miden los relojes reales no es
directamente ese parámetro temporal sino una cantidad que tiene que
desentrañarse de las ecuaciones dinámicas y cuyo comportamiento sigue las
reglas de la relatividad (1, 2).
Julio López; algún momento entre el 15 de marzo
y el 15 mayo 2020.
Tras años
de investigación y observación la humanidad ha deducido que una gran parte de
las estructuras y fenómenos que vemos son debidas al hecho electromagnético: la
existencia de cargas y campos electromagnéticos relacionados según las sintéticas
leyes de Maxwell. Una carga en movimiento (p. ej. un electrón o protón) genera
a su alrededor un campo electromagnético, el cual es percibido por otras
partículas cargadas. Según las ecuaciones de Maxwell si una carga se desplazara
a la velocidad de la luz esta generaría un campo electromagnético singular
(infinito). Armados solamente de las ecuaciones de Maxwell podemos llegar a la
conclusión de que las partículas cargadas tienen como límite viajar a la
velocidad de la luz (la velocidad de la luz aparece en las ecuaciones de
Maxwell como la velocidad de propagación de las ondulaciones electromagnéticas
en el vacío).
Pero,
¿por qué los neutrinos –partículas elementales sin carga eléctrica– tampoco
parece que puedan viajar a velocidades mayores que la luz? (de hecho se observa
que los neutrinos viajan siempre a una velocidad indistinguible de la velocidad
de la luz, lo cual se entiende que es debido a su pequeñísima masa).
Recientemente también se ha comprobado que las ondas gravitatorias viajan también
a la velocidad de la luz (como propuso Einstein). ¿Por qué estas entidades tan
distintas de la luz viajan a la velocidad de la luz? Parece haber una sola
causalidad universal (es decir, una velocidad máxima para toda entidad física),
¿pero por qué?
Para
poder dar una explicación es necesario ponerse primeramente en un marco en el
que las cosas puedan funcionar de otra forma. Por ejemplo, imaginemos que el
mundo fuese como nos decía Newton, un mundo donde las partículas pueden viajar
a cualquier velocidad. Se puede demostrar que a partir de partículas
elementales a la Newton se pueden construir cuasi-partículas cuya velocidad de
propagación es finita y con límites infranqueables. Es como construir una onda
solitaria en el océano: las moléculas de agua no viajan con la onda, solamente
oscilan en un pequeño entorno y transmiten su oscilación a partículas
contiguas; la transmisión de la oscilación de entorno en entorno se materializa
en el movimiento de la onda. La onda es un fenómeno colectivo que tiene una velocidad
de propagación finita porque involucra muchos elementos que tienen que hablarse
entre sí y eso tarda un tiempo característico. La onda no puede viajar más
rápido que su velocidad característica pues perdería su propia esencia.
Aunque
ahora mismo no seamos capaces de discernir ninguna estructura en lo que
llamamos partículas elementales (de ahí que las llamemos elementales), no deja
de ser curioso que estas se comporten de forma asimilable a cuasi-partículas de
un mundo Newtoniano (de hecho todas las partículas elementales exhiben
propiedades ondulatorias y se las describe como excitaciones de campos
abstractos, los cuales podrían ser perfectamente efectivos y no fundamentales).
Para
que de un mundo Newtoniano pueda surgir un cuasi-mundo efectivo como el que
observamos, es probable que se necesite que exista una excitación (o
cuasi-partícula) primaria de tal forma que el resto de las excitaciones que
conforman nuestro mundo efectivo hereden su causalidad. Hablando en un modo
ilustrativo no literal, imaginemos que los neutrinos fueran nuestras
cuasi-partículas primarias. Los fotones que componen la luz podrían ser
cuasi-partículas compuestas a su vez por un estado ligado de un neutrino con un
anti-neutrino. Lo mismo podría suceder con la propia gravedad y ser generada
por otro tipo de ligazón entre neutrinos y anti-neutrinos. De hecho, en
principio a partir de partículas de espín ½, como son los neutrinos, se pueden
construir agregados de espín 1 como los fotones y de espín 2 como los
gravitones (el espín de una partícula es asimilable a la rotación intrínseca
que posee y ser entero o semientero cambia por completo la forma en que se
comporta para formar agregados).
Es interesante estudiar en
detalle si el mundo en el que vivimos podría ser así. Un tiempo Newtoniano y un
espacio absoluto serían simplemente un andamiaje para codificar la existencia
de cambio y extensión espacial en la naturaleza. El tiempo que medirían los
relojes reales, sistemas complejos compuestos de cuasi-partículas y sometidos a
la causalidad efectiva, se regiría por leyes relativistas. De hecho, el
experimento de Michelson-Morley no demuestra que el éter es inexistente, como
se puede leer hasta en el maravilloso “Cosmos” de Carl Sagan. Un interferómetro
constituido de cuasi-partículas no sería capaz de discernir si se mueve o no
con respecto a un referencial absoluto Newtoniano (3). Al contrario que la
interpretación tradicional, el experimento de Michelson-Morley se puede tomar
como evidencia de que la luz que usa y el entramado de partículas que
constituyen los brazos del interferómetro siguen una misma física efectiva que
ya no ve el andamiaje subyacente.
Quizá sí se pueda viajar a
velocidades mayores que la luz, pero solo aquellos cuerpos cuya corporeidad no
sea de nuestro mundo efectivo, sino de un mundo subyacente del que todavía
sabemos muy poco. Además de viajes a otros lugares del cosmos, tenemos
pendiente un viaje, quizá todavía más difícil pero tremendamente atractivo, al
código fundamental de la naturaleza, tal vez hecho tan solo de ceros y unos.
Arturo Quintana; en algún momento después del 15 mayo 2020.
Mis queridos Ángela y Julio.
Gracias por mandarme vuestras reflexiones de estos días. Su lectura me ha
generado una amplia sonrisa ¡os parecéis mucho más de lo que os gustaría
reconocer! Finalmente no coincidimos durante el rodaje de Territorio gravedad
(4), mía culpa, pero me han dicho que interaccionamos bastante en la gran
pantalla. Ya sea en la realidad o en la ficción, ¡hasta pronto amigos!
¿Qué nos deparará un
viaje hacia el siguiente nivel en el código de la naturaleza?
Seguramente nuevas sorpresas.
Lecturas adicionales:
(1) La gravedad, Carlos
Barceló, Edt. Catarata, 2018.
(2) The arguments of time, Ed. Jeremy Butterfield,
OUP/British Academy 2006 (publicación técnica en inglés)
(3) C. Barceló y G. Jannes, A real Lorentz-Fitgerald
contraction, Found. Phys. 38, 191 (2008) (publicación técnica en inglés).
(4) Territorio gravedad, Serie
de divulgación científica para televisión de próximo estreno (síguenos en
nuestro facebook www.facebook.com/territoriogravedad o instagram www.instagram.com/territoriogravedad/)
TERRITORIO GRAVEDAD
2023
Episodios 1 - 8
(Suscripción) (Alquiler o compra)
Carlos Barceló.
Científico Titular del CSIC,
Instituto de Astrofísica de Andalucía.
Director Científico de
Territorio gravedad.
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