Sueños de viajes espaciales a velocidad infinita.
Viajes a través del espacio y el tiempo.
Viajar por el espacio, más que viajar en el tiempo, es viajar al
futuro.
Cuando
era niño jugaba a que venía de otro planeta donde una civilización más avanzada
que la terrestre tenía la capacidad de viajar sobre un rayo de luz. No a la
velocidad de la luz sino infinitamente más rápido. Era tan fácil como señalar a
Sirio con una linterna y de pronto señalar Antares. En el extremo de ese rayo
de luz viajaba nuestra nave imaginaria. Así de rápido, cruzando miles de años
luz de un rincón a otro de la galaxia. Sueños de niños. ¿Quién no ha soñado con
viajes extraordinarios? Soñar con levantar vuelo, como Leonardo Da Vinci, o con
llegar a la Luna en un cohete, como lo soñaron Robert Goddard y Konstantin
Tsiolkovsky, o viajar a las estrellas, como soñaba Carl Sagan. Un joven Albert
Einstein soñaba con algo más extraordinario que un viaje interestelar. Siendo
adolescente se imaginaba cómo se vería una onda de luz si pudiéramos viajar
junto a ella. Estos “experimentos mentales” (en alemán, “Gedankenexperiment”),
serían práctica habitual en el fecundo trabajo intelectual de Einstein. La
respuesta a este experimento en particular lo llevaría hacia una de las mayores
revoluciones científicas de todos los tiempos, transformando las viejas
nociones absolutas de tiempo y espacio.
Visión artística del espíritu de la misión Voyager de la NASA. Los Voyager están actualmente explorando una región inexplorada ubicada mucho más allá de los planetas que ahora conocemos ..., una región que forma el límite exterior de la burbuja solar. Están en un viaje que finalmente pasará al espacio interestelar. Crédito Imagen: NASA
La
relatividad de Einstein.
Einstein descubrió que
el tiempo y el espacio se encuentran íntimamente ligados, formando el tejido
del universo, el continuo espacio-tiempo. Esta visión de la naturaleza surge de
la Teoría de la Relatividad Especial (R.E.), a partir de solo dos postulados
muy simples que tienen profundas consecuencias:
1) las leyes de la
física son las mismas en cualquier sistema de referencia;
2) la
velocidad de la luz en el vacío es una constante que no depende del movimiento
de la fuente de luz ni del movimiento del observador.
Una
consecuencia de los postulados de la R.E. es que el espacio-tiempo es flexible.
Que tiempo y espacio dependen de la velocidad del observador y que nada puede
viajar más rápido que la luz. Para un viajero las distancias se contraen y su
reloj avanza más lento. Estos cambios de tiempo y espacio son extremadamente
pequeños cuando nos movemos a velocidades mucho menores que la velocidad de la
luz. Para apreciarlo se necesitan instrumentos muy sensibles. En 1971, Hafele y
Keating utilizaron relojes atómicos gemelos, uno en tierra y otro montado sobre
un avión, y confirmaron que el reloj que había viajado en el avión era algunos
nanosegundos más “joven” que su gemelo que había permanecido en reposo en
tierra1. Carl Sagan ilustró esta célebre “paradoja de los gemelos”
en el episodio 8 de su serie de televisión Cosmos (no así en el libro), con dos
hermanos gemelos situados en la villa Da Vinci. Mientras un hermano permanece
sentado en una plaza, el otro hace un viaje fantástico en su moto, moviéndose a
una velocidad cercana a la velocidad de la luz. Cuando el hermano viajero
regresa después de pocos minutos, encuentra que su hermano envejeció varios
años. Viajar por el espacio, más que viajar en el tiempo, es viajar al futuro.
El
GPS.
Carl
Sagan se hubiera deleitado de saber que en nuestros bolsillos llevaríamos un
testigo permanente de la genialidad de Einstein. El GPS sería inútil sin la
R.E. Cuando enciendes el teléfono y activas tu ubicación, el aparato empieza a
recibir las señales de algunos satélites de GPS. Cada señal llega con
diferentes retrasos de tiempo, a partir de los cuales se determina la distancia
a cada satélite y a partir de allí se obtiene la ubicación exacta. Pero los
satélites se están moviendo con respecto a la Tierra, por lo que los relojes de
los satélites atrasan con respecto a los relojes en la Tierra. Si esto no se
tuviera en cuenta para diseñar el GPS, la posición tendría errores de varios
kilómetros1.
Un
viaje a Sirio.
Alcanzar
la velocidad de la luz requiere una energía infinita. Esta es otra consecuencia
de la R.E. para los objetos con masa, la cual impone un límite para los viajes
espaciales. Un límite a tantos sueños de alcanzar las estrellas. Imagínate que
pudieras viajar a una velocidad similar a la velocidad de la luz, que
tuviéramos a disposición alguna de las fantásticas naves de fusión que describe
Carl Sagan en el capítulo 8 de Cosmos. Naves que con enormes cantidades de
energía nuclear logran alcanzar velocidades cercanas a la de la luz. Aún con
esa tecnología (por ahora imposible), un viaje a las estrellas más cercanas
podría requerir siglos.
Consideremos
a modo de ejemplo un viaje a la estrella Sirio, que se encuentra a la modesta
distancia de 8,61 años-luz. Esto significa que nada pueda viajar hasta Sirio en
menos de 8,61 años. Supongamos que puedes viajar en una de las fantásticas naves de fusión a una velocidad que es tan alta como el 99,5% de la
velocidad de la luz (se anota 0,995c). Para simplificar dejaremos a un lado el
tiempo que la nave demora en acelerar para alcanzar esa velocidad, entonces el
tiempo que demora en llegar a Sirio es simplemente 8,61/0,995 = 8,65 años. Es
casi el mismo tiempo que demora la luz porque tu nave se mueve casi a la
velocidad de la luz. De todos modos es mucho tiempo para un viaje. Pero esto
solo es cierto desde la perspectiva de las personas que se quedan en la Tierra.
Para ellos ciertamente tu viaje hasta Sirio demora 8,65 años. Sin embargo desde
tu perspectiva el viaje es mucho más corto. De acuerdo con la R.E., a la
velocidad que estás viajando, el tiempo en tu nave transcurre 10 veces más
lento que en la Tierra, de modo que para ti el viaje demora apenas 0,865 años
(solo 316 días). El espacio también se ve alterado. Con respecto a la nave en
movimiento, la distancia de la Tierra a Sirio se ve reducida en el mismo factor
de 10. Es decir que desde la nave, la distancia de la Tierra a Sirio es apenas
0,861 años-luz. Todo esto es muy real y lo sorprendente es que para el viajero
pasaron realmente 316 días, no solamente en sus relojes y en todos los sistemas
de su nave, sino también en su tiempo biológico. Él ha envejecido solamente 316
días. Sin embargo en la Tierra realmente han pasado 8,65 años. Mientras estuvo
viajando esos 316 días, sus amigos en la Tierra celebraron 8 años nuevos,
envejecieron 8,65 años y algunos tuvieron hijos que ya están en la escuela. Ese
es el precio a pagar para un viajero estelar, tal como ocurre en la paradoja de
los gemelos, viajar muy rápido hace que el resto del universo envejezca muy
rápido. Viajar por el espacio es viajar al futuro, no nuestro futuro, sino el
futuro del resto del universo.
Un
viaje al infinito.
Cuando
todavía estás en la Tierra, antes de poner en marcha tu nave, haces algunos
cálculos sencillos. Sabes que Sirio está a 8,61 años-luz de la Tierra. Es lo
que se denomina la distancia propia, es decir, la distancia medida en un
sistema de referencia fijo a la Tierra. También sabes que la duración real de
tu viaje, para ti y todo lo que viaje contigo en la nave, será de apenas 0,865
años. Es lo que se denomina el tiempo propio. Entonces piensas que tiene mucho
sentido calcular la velocidad propia, también llamada celeridad, que es el
cociente entre la distancia propia y el tiempo propio. Entonces
sorprendentemente la celeridad para tu viaje a Sirio resulta ser 10 veces la
velocidad de la luz (es decir 8,61/0,865). Increíble. Pero por supuesto que no
estamos rompiendo ninguna ley física, por el contrario, todo esto es
consecuencia de la misma R.E. La celeridad no tiene límite, puede ser mucho
mayor que la velocidad de la luz y esto nos está diciendo que si lográramos
viajar a casi la velocidad de la luz, podríamos llegar a cualquier rincón del
universo en un tiempo muy breve, casi como si viajáramos a velocidades
infinitamente altas.
El
valor de la celeridad es casi indistinguible del valor de la velocidad cuando
esta es mucho menor que la velocidad de la luz. Incluso para un cohete la
celeridad coincide con la velocidad hasta la décima cifra. En cambio a
velocidades cercanas a la velocidad de la luz, la celeridad se hace
infinitamente grande. Los fotones (las partículas de luz) son de las pocas
cosas que se mueven a la velocidad de la luz. Esto significa que la celeridad
de un fotón es infinita. Y es así porque a la velocidad de la luz el tiempo
propio del fotón fluye tan lento que simplemente no transcurre. Se podría decir
que el “reloj interno” de un fotón está “paralizado”. De este modo los fotones
viajan de un rincón a otro del universo sin haber envejecido ni siquiera una
fracción de segundo.
La
genial R.E. de Einstein, la misma que nos impone la velocidad de la luz como un límite infranqueable, es la misma que nos ofrece la libertad de viajar por el universo con
celeridad casi infinita. Lejos de ser vencido por la R.E., el sueño de viajes
interestelares sigue vigente gracias a la R.E. Eso sí, el precio a pagar por
esos viajes (además de la energía casi infinita requerida) es que el resto del
universo envejece muchísimo más rápido que nosotros, incluyendo a toda la
humanidad que dejamos en la Tierra. Pero podemos imaginar un futuro en el que
no debamos dejar atrás a la humanidad. Un futuro en el que una colonia humana
tenga la posibilidad de viajar en una flota estelar a velocidades cercanas a la
de la luz. Esa colonia podrá navegar por el espacio interestelar con una
celeridad de miles de veces la velocidad de la luz, llevando a la humanidad en
un suspiro, a los mundos más fantásticos del cosmos.
Notas:
1 El experimento de Hafele y Keating, así como el sistema
GPS, tienen en cuenta la Teoría de la Relatividad General de Einstein, de la
cual no hablamos en este artículo.
Martín Monteiro.
Profesor de Física.
Coordinador
del Laboratorio de Física.
Facultad de Ingeniería,
Universidad ORT Uruguay.
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