Más rapido que la luz
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Para otros usos, consulte Más rápido que la velocidad de la luz (desambiguación) .
Diagrama de espacio-tiempo que muestra que moverse más rápido que la luz implica viajar en el tiempo en el contexto de la relatividad especial.

Las comunicaciones y los viajes más rápidos que la luz (también superlumínicos , FTL o supercausales ) son la propagación conjetural de información o materia más rápida que la velocidad de la luz .

La teoría especial de la relatividad implica que solo las partículas con masa en reposo cero pueden viajar a la velocidad de la luz. Se ha planteado la hipótesis de los taquiones , partículas cuya velocidad excede la de la luz, pero su existencia violaría la causalidad , y el consenso de los físicos es que no existen. Por otro lado, lo que algunos físicos denominan FTL "aparente" o "efectivo" [1] [2] [3] [4] depende de la hipótesis de que regiones inusualmente distorsionadas del espacio-tiempo podrían permitir que la materia alcance lugares distantes en menos tiempo que la luz en el espacio-tiempo normal o no distorsionado.

Según las teorías científicas actuales, se requiere que la materia viaje a una velocidad más lenta que la de la luz (también subluminal o STL ) con respecto a la región del espacio-tiempo localmente distorsionada. La FTL aparente no está excluida por la relatividad general ; sin embargo, cualquier plausibilidad física aparente de FTL es actualmente especulativa. Ejemplos de propuestas aparentes de FTL son la unidad Alcubierre , los tubos de Krasnikov , los agujeros de gusano atravesables y los túneles cuánticos . [5] [6]

Viaje superlumínico de no información

Artículo principal: movimiento superluminal

En el contexto de este artículo, FTL es la transmisión de información o materia más rápida que c , una constante igual a la velocidad de la luz en el vacío, que es 299,792,458 m / s (por definición del metro [7] ) o aproximadamente 186,282.397 millas. por segundo. Esto no es lo mismo que viajar más rápido que la luz, ya que:

  • Algunos procesos se propagan más rápido que c , pero no pueden transportar información (vea los ejemplos en las secciones inmediatamente siguientes).
  • En algunos materiales donde la luz viaja a una velocidad c / n (donde n es el índice de refracción ), otras partículas pueden viajar más rápido que c / n (pero aún más lento que c ), lo que lleva a la radiación de Cherenkov (consulte la velocidad de fase a continuación ).

Ninguno de estos fenómenos viola la relatividad especial o crea problemas con la causalidad y, por lo tanto, ninguno califica como FTL como se describe aquí.

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

Movimiento del cielo diario

Para un observador terrestre, los objetos en el cielo completan una revolución alrededor de la Tierra en un día. Proxima Centauri , la estrella más cercana fuera del Sistema Solar , está a unos cuatro años luz de distancia. [8] En este marco de referencia, en el que se percibe que Proxima 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 como la velocidad del borde de un objeto. moverse en un círculo es un producto del radio y la velocidad angular. [8] También es posible en un geoestáticovista, 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 lleven a más de 1000 AU . [9] La circunferencia de un círculo con un radio de 1000 UA es mayor que un día luz. En otras palabras, un cometa a tal distancia es superlumínico en un marco geoestático y, por lo tanto, no inercial.

Puntos de luz y sombras

Si un rayo láser atraviesa un objeto distante, se puede hacer que el punto de luz láser se mueva fácilmente a través del objeto a una velocidad superior a c . [10] De manera similar, se puede hacer que una sombra proyectada sobre un objeto distante se mueva a través del objeto más rápido que c . [10] En ningún caso la luz viaja de la fuente al objeto más rápido que c , ni la información viaja más rápido que la luz. [10] [11] [12]

Velocidades de cierre

La velocidad a la que dos objetos en movimiento en un solo marco de referencia se acercan se llama velocidad mutua o de cierre. Esto puede acercarse al doble de la velocidad de la luz, como en el caso de dos partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz en direcciones opuestas con respecto al marco de referencia.

Imagine dos partículas que se mueven rápidamente acercándose desde lados opuestos de un acelerador de partículas del tipo colisionador. La velocidad de cierre sería la velocidad a la que disminuye la distancia entre las dos partículas. Desde el punto de vista de un observador en reposo en relación con el acelerador, esta velocidad será un poco menos del doble de la velocidad de la luz.

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

Es instructivo calcular la velocidad relativa de las partículas que se mueven en vy - 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 a un año luz (medido en el marco de reposo de la Tierra) lejos de la Tierra a alta velocidad, el tiempo necesario para llegar a ese planeta podría ser menos de un año según lo medido por el reloj del viajero (aunque lo hará siempre será más de un año medido por un reloj en la Tierra). El valor obtenido al dividir la distancia recorrida, determinada en el marco de la Tierra, por el tiempo tomado, medido por el reloj del viajero, se conoce como velocidad adecuada o velocidad adecuada . No hay límite en el valor de una velocidad adecuada, ya que una velocidad adecuada no representa una velocidad medida en un solo marco inercial. Una señal luminosa que saliera de la Tierra al mismo tiempo que el viajero siempre llegaría al destino antes que el viajero.

Posible distancia de la Tierra

Artículo principal: viajes espaciales con aceleración constante

Dado que uno podría no viajar más rápido que la luz, se podría concluir que un humano nunca puede viajar más lejos de la Tierra que 40 años luz si el viajero está activo entre la edad de 20 y 60 años. Un viajero nunca podría llegar a más de 40 años luz. que los pocos sistemas estelares que existen dentro del límite de 20 a 40 años luz de la Tierra. Ésta es una conclusión errónea: debido a la dilatación del tiempo , el viajero puede viajar miles de años luz durante sus 40 años activos. Si la nave espacial acelera a 1 g constante (en su propio marco de referencia cambiante), después de 354 días, alcanzará velocidades un poco por debajo de la velocidad de la luz (para un observador en la Tierra), y la dilatación del tiempo aumentará la velocidad del viajero. vida útil a miles de años terrestres, visto desde el sistema de referencia delSistema Solar  ⁠— pero la esperanza de vida subjetiva del viajero no cambiará por ello. Si luego regresaran a la Tierra, el viajero llegaría a la Tierra miles de años en el futuro. Su velocidad de viaje no se habría observado desde la Tierra como supraluminal ⁠ —ni tampoco parecería serlo desde la perspectiva del viajero—, pero el viajero habría experimentado una contracción de la longitud del universo en su dirección de viaje. Después de que el viajero cambie de rumbo, la Tierra parecerá experimentar mucho más tiempo que el viajero. Entonces, si bien la velocidad de las coordenadas (ordinaria) del viajero no puede exceder c , su velocidad adecuada o la distancia recorrida desde el punto de referencia de la Tierra dividida por el tiempo adecuado, puede ser mucho mayor que c . Esto se ve en estudios estadísticos de muones que viajan mucho más allá de c veces su vida media (en reposo), si viajan cerca de c . [13]

Velocidades de fase por encima de c

La velocidad de fase de una onda electromagnética , cuando viaja a través de un medio, puede exceder rutinariamente c , la velocidad de vacío de la luz. Por ejemplo, esto ocurre en la mayoría de las gafas a frecuencias de rayos X. [14] Sin embargo, la velocidad de fase de una onda corresponde a la velocidad de propagación de una componente teórica de frecuencia única (puramente monocromática ) de la onda a esa frecuencia. Tal componente de onda debe ser de extensión infinita y de amplitud constante (de lo contrario, no es verdaderamente monocromático), por lo que no puede transmitir ninguna información. [15] Por lo tanto, una velocidad de fase por encima de c no implica la propagación de señales.con una velocidad superior a c . [dieciséis]

Velocidades de grupo por encima de c

La velocidad de grupo de una onda también puede exceder c en algunas circunstancias. [17] [18] 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 , [19]aunque uno pueda tener la tentación de 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 principal de un pulso mientras 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. [20] Sin embargo, la velocidad del grupo puede exceder c en algunas partes de un rayo gaussiano en el vacío (sin atenuación). La difracciónhace que el pico del pulso se propague más rápido, mientras que la potencia general no lo hace. [21]

Expansión universal

Historia del Universo : se supone que las ondas gravitacionales surgen de la inflación cósmica , una expansión más rápida que la luz justo después del Big Bang . [22] [23] [24]

La expansión del universo hace que las galaxias distantes se alejen de nosotros más rápido que la velocidad de la luz, si se utiliza la distancia y el tiempo cosmológico adecuados para calcular las velocidades de estas galaxias. Sin embargo, en la relatividad general , la velocidad es una noción local, por lo que la velocidad calculada usando coordenadas comovidas no tiene una relación simple con la velocidad calculada localmente. [25] (Ver Comoving y distancias adecuadaspara una discusión de las diferentes nociones de 'velocidad' en cosmología.) Las reglas que se aplican a las velocidades relativas en la relatividad especial, como la regla de que las velocidades relativas no pueden aumentar más allá de la velocidad de la luz, no se aplican a las velocidades relativas en coordenadas comovivas, que se describen a menudo en términos de la "expansión del espacio" entre galaxias. Se cree que esta tasa de expansión estuvo en su punto máximo durante la época inflacionaria que se cree que ocurrió en una pequeña fracción de segundo después del Big Bang (los modelos sugieren que el período habría sido de alrededor de 10 a 36 segundos después del Big Bang a alrededor de 10 −33 segundos), cuando el universo puede haberse expandido rápidamente en un factor de alrededor de 10 20 a 1030 . [26]

Hay muchas galaxias visibles en telescopios con números de desplazamiento al rojo de 1.4 o más. Todos estos se están alejando de nosotros actualmente a velocidades mayores que la velocidad de la luz. Debido a que el parámetro de Hubble está disminuyendo con el tiempo, en realidad puede haber casos en los que una galaxia que se aleja de nosotros más rápido que la luz logra emitir una señal que finalmente nos llega. [27] [28] [29]

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, [ 30] porque la luz nunca alcanza un punto donde su "velocidad peculiar" hacia nosotros excede la velocidad de expansión lejos de nosotros (estas dos nociones de velocidad también se discuten en Comoving y distancias adecuadas. # Usos de la distancia adecuada). 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 ocurre en el presente eventualmente podría llegar a nosotros en el futuro si el evento estuviera a menos de 16 mil millones de años luz de distancia, pero la señal nunca nos llegaría si el evento estuviera a más de 16 mil millones de años luz de distancia. [28]

Observaciones astronómicas

El movimiento superluminal aparente se observa en muchas radiogalaxias , blazares , quásares y, recientemente, también en microcuásares . El efecto fue predicho antes de ser observado por Martin Rees [ aclaración necesaria ] y puede explicarse como una ilusión óptica causada por el objeto que se mueve parcialmente en la dirección del observador, [31] cuando los cálculos de velocidad asumen 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. [32] Los laboratorios terrestres solo han podido acelerar un pequeño número 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 más rápido que la luz. Según el teorema de la no comunicación, estos fenómenos no permiten una verdadera comunicación; solo permiten que dos observadores en diferentes ubicaciones vean el mismo sistema simultáneamente, sin ninguna forma de controlar lo que ninguno de los dos ve. El colapso de la función de onda puede verse como un epifenómeno de la decoherencia cuántica, que a su vez no es más que un efecto de la evolución en el tiempo local subyacente de la función de onda de un sistema y todos los aspectos.de su entorno. Dado que el comportamiento subyacente no viola la causalidad local ni permite la comunicación FTL, se deduce que tampoco el efecto adicional de la función de onda colapsa, 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. [33] Sin embargo, se demostró en 2011 que un solo fotón no puede viajar más rápido que c . [34] En mecánica cuántica, partículas virtualespuede viajar más rápido que la luz, y este fenómeno está relacionado con el hecho de que los efectos de campo estático (que están mediados por partículas virtuales en términos cuánticos) pueden viajar más rápido que la luz (ver la sección sobre campos estáticos más arriba). Sin embargo, macroscópicamente estas fluctuaciones promedian, de modo que los fotones viajan en línea recta a lo largo de distancias largas (es decir, no cuánticas) y viajan a la velocidad de la luz en promedio. Por tanto, esto no implica la posibilidad de transmisión de información superluminal.

Ha habido varios informes en la prensa popular de experimentos sobre transmisión óptica más rápida que la luz, la mayoría de las veces en el contexto de una especie de fenómeno de túnel cuántico . Por lo general, estos informes se refieren a una velocidad de fase o una velocidad de grupo más rápida que la velocidad de vacío de la luz. [35] [36] Sin embargo, como se indicó anteriormente, una velocidad de fase superluminal no se puede utilizar para una transmisión de información más rápida que la luz. [37] [38]

Efecto Hartman

Artículo principal: efecto Hartman

El efecto Hartman es el efecto de tunelización a través de una barrera donde el tiempo de tunelización tiende a ser constante para las grandes barreras. [39] [40] Esto podría ser, por ejemplo, el espacio entre dos prismas. Cuando los prismas están en contacto, la luz pasa directamente, pero cuando hay un espacio, la luz se refracta. Existe una probabilidad distinta de cero de que el fotón haga un túnel a través del espacio en lugar de seguir la trayectoria refractada. Para grandes espacios entre los prismas, el tiempo de tunelización se acerca a una constante y, por lo tanto, los fotones parecen haberse cruzado con una velocidad superluminal. [41]

Sin embargo, el efecto Hartman no se puede utilizar para violar la relatividad transmitiendo señales más rápido que c , porque el tiempo de tunelización "no debería estar vinculado a una velocidad ya que las ondas evanescentes no se propagan". [42] Las ondas evanescentes en el efecto Hartman se deben a partículas virtuales y un campo estático que no se propaga, como se mencionó en las secciones anteriores para la gravedad y el electromagnetismo.

Efecto Casimir

Artículo principal: 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 forma posible de calcular la fuerza del efecto. Debido a que la fuerza 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 los campos estáticos discutidos anteriormente.

Paradoja EPR

Artículo principal: paradoja EPR

La paradoja EPR se refiere 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, la medición del estado de uno de los sistemas cuánticos de un par entrelazado aparentemente fuerza instantáneamente al otro sistema (que puede estar distante) a medirse en el estado complementario. Sin embargo, no se puede transmitir información de esta manera; La respuesta a si la medición afecta o no al otro sistema cuántico se reduce a qué interpretación de la mecánica cuántica. uno se suscribe.

Un experimento realizado en 1997 por Nicolas Gisin ha demostrado correlaciones cuánticas no locales entre partículas separadas por más de 10 kilómetros. [43] Pero como se señaló anteriormente, las correlaciones no locales observadas en el entrelazamiento no se pueden utilizar para transmitir información clásica más rápido que la luz, por lo que se conserva la causalidad relativista. La situación es similar a compartir un lanzamiento de moneda sincronizado, donde la segunda persona que lance su moneda siempre verá lo contrario de lo que ve la primera persona, pero ninguna tiene forma de saber si fue la primera o la segunda aleta, sin comunicarse de manera clásica. . Ver teorema de no comunicaciónpara mayor información. Un experimento de física cuántica de 2008 también realizado por Nicolas Gisin y sus colegas ha determinado que en cualquier teoría hipotética de variables ocultas no locales , la velocidad de la conexión cuántica no local (lo que Einstein llamó "acción espeluznante a distancia") está en al menos 10.000 veces la velocidad de la luz. [44]

Borrador cuántico de elección retrasada

Artículo principal: borrador cuántico de elección retardada

El borrador cuántico de elección retardada es una versión de la paradoja EPR en la que la observación (o no) de la interferencia después del 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, [45]lo que puede dar la impresión de que la medición de los fotones posteriores "retroactivamente" determina si los fotones anteriores muestran interferencia o no, aunque el patrón de interferencia solo se puede ver correlacionando las mediciones de ambos miembros de cada par y, por lo tanto, no puede ser observado hasta que se hayan medido ambos fotones, lo que garantiza que un experimentador que observa solo los fotones que atraviesan la rendija no obtiene información sobre los otros fotones de una manera FTL o hacia atrás en el tiempo. [46] [47]

Comunicación superluminal

Artículo principal: Comunicación más rápida que la luz

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

  • El impulso relativista de una partícula masiva aumentaría con la velocidad de tal manera que a la velocidad de la luz un objeto tendría un impulso infinito.
  • Para acelerar un objeto de no cero masa en reposo a c requeriría tiempo infinito con cualquier aceleración finita, o aceleración infinita para una cantidad finita de tiempo.
  • De cualquier manera, tal aceleración requiere energía infinita.
  • Algunos observadores con movimiento relativo subluz no estarán de acuerdo sobre cuál ocurre primero de dos eventos que están separados por un intervalo similar al espacio . [48] En otras palabras, cualquier viaje que sea más rápido que la luz será visto como un viaje hacia atrás en el tiempo en algún otro marco de referencia igualmente válido, [49] o necesita asumir la hipótesis especulativa de posibles violaciones de Lorentz en una escala actualmente no observada (por ejemplo, la escala de Planck). [ cita requerida ] Por lo tanto, cualquier teoría que permita FTL "verdadero" también tiene que hacer frente al viaje en el tiempo y todas sus paradojas asociadas, [50] o bien asumir la invariancia de Lorentzser una simetría de naturaleza estadística termodinámica (de ahí una simetría rota en alguna escala actualmente no observada).
  • En relatividad especial, sólo se garantiza que la velocidad coordinada de la luz sea c en un marco inercial ; en un marco no inercial, la velocidad de las coordenadas puede ser diferente de c . [51] En la relatividad general, ningún sistema de coordenadas en una gran región del espacio-tiempo curvo es "inercial", por lo que está permitido usar un sistema de coordenadas global donde los objetos viajan más rápido que c , pero en la vecindad local de cualquier punto en el espacio-tiempo curvo se puede definir un "marco inercial local" y la velocidad local de la luz será c en este marco, [52] con objetos masivos moviéndose a través de este vecindario local siempre teniendo una velocidad menor que c en el marco inercial local.

Justificaciones

Vacío de Casimir y tunelización cuántica

La relatividad especial postula que la velocidad de la luz en el vacío es invariante en marcos inerciales . Es decir, será igual desde cualquier marco 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 SI de longitud (el metro ) se ha definido utilizando la velocidad de la luz .

La determinación experimental se ha realizado al vacío. Sin embargo, el vacío que conocemos no es el único vacío posible que puede existir. El vacío tiene una energía asociada, llamada simplemente energía del vacío , que quizás podría alterarse en ciertos casos. [53] Cuando se reduce la energía del vacío, se ha predicho que la luz misma irá más rápido que el valor estándar c . Esto se conoce como efecto Scharnhorst . Este 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 irá 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 en solo una parte en 10 36 . [54] En consecuencia, todavía no ha habido una verificación experimental de la predicción. Un análisis reciente [55] argumentó que el efecto Scharnhorst no se puede utilizar para enviar información hacia atrás en el tiempo con un solo conjunto de placas, ya que el marco de descanso de las placas definiría un "marco preferido" para la señalización FTL. Sin embargo, con múltiples pares de placas en movimiento entre sí, los autores notaron que no tenían argumentos que pudieran "garantizar la ausencia total de violaciones de causalidad", e invocaron la teoría especulativa de Hawking.Conjetura de protección cronológica que sugiere que los bucles de retroalimentación de partículas virtuales crearían "singularidades incontrolables en la energía de tensión cuántica renormalizada" en el límite de cualquier máquina del tiempo potencial, y por lo tanto requeriría una teoría de la gravedad cuántica para analizarla completamente. Otros autores sostienen que el análisis original de Scharnhorst, que parecía mostrar la posibilidad de señales más rápidas que c , incluía aproximaciones que pueden ser incorrectas, por lo que no está claro si este efecto podría realmente aumentar la velocidad de la señal. [56]

Los físicos Günter Nimtz y Alfons Stahlhofen, de la Universidad de Colonia , afirman haber violado la relatividad experimentalmente al transmitir fotones más rápido que la velocidad de la luz. [41] Dicen que han realizado un experimento en el que fotones de microondas - paquetes de luz de energía relativamente baja - viajaron "instantáneamente" entre un par de prismas que se habían movido hasta 3 pies (1 m) de distancia. Su experimento involucró un fenómeno óptico conocido como "modos evanescentes" , y afirman que, dado que los modos evanescentes tienen un número de onda imaginario, representan una "analogía matemática" del túnel cuántico . [41]Nimtz también ha afirmado que "los modos evanescentes no se pueden describir completamente mediante las ecuaciones de Maxwell y que la mecánica cuántica debe tenerse en cuenta". [57] Otros científicos como Herbert G. Winful y Robert Helling han argumentado que, de hecho, no hay nada mecánico-cuántico en los experimentos de Nimtz, y que los resultados pueden predecirse completamente mediante las ecuaciones del electromagnetismo clásico (ecuaciones de Maxwell). [58] [59]

Nimtz dijo a la revista New Scientist : "Por el momento, esta es la única violación de la relatividad especial que conozco". Sin embargo, otros físicos dicen que este fenómeno no permite que la información se transmita más rápido que la luz. Aephraim Steinberg, un experto en óptica cuántica de la Universidad de Toronto , Canadá, utiliza la analogía de un tren que viaja de Chicago a Nueva York, pero que deja vagones de tren desde la cola en cada estación a lo largo del camino, de modo que el centro de la historia -el tren principal que se encoge avanza en cada parada; de esta manera, la velocidad del centro del tren excede la velocidad de cualquiera de los vagones individuales. [60]

Winful sostiene que la analogía del tren es una variante del "argumento de remodelación" para las velocidades de túnel superlumínicas, pero continúa diciendo que este argumento no está realmente respaldado por experimentos o simulaciones, que en realidad muestran que el pulso transmitido tiene la misma longitud y forma como el pulso incidente. [58] En cambio, Winful argumenta que el retraso del grupo en la tunelización no es en realidad el tiempo de tránsito del pulso (cuya longitud espacial debe ser mayor que la longitud de la barrera para que su espectro sea lo suficientemente estrecho como para permitir la tunelización), sino que es la vida útil de la energía almacenada en una onda estacionariaque se forma dentro de la barrera. Dado que la energía almacenada en la barrera es menor que la energía almacenada en una región sin barreras de la misma longitud debido a la interferencia destructiva, el retraso del grupo para que la energía escape de la región de la barrera es más corto que en el espacio libre, lo que según Winful es la explicación de un túnel aparentemente superlumínico. [61] [62]

Varios autores han publicado artículos que cuestionan la afirmación de Nimtz de que sus experimentos violan la causalidad de Einstein, y hay muchos otros artículos en la literatura que discuten por qué no se cree que los túneles cuánticos violen la causalidad. [63]

Más tarde fue reivindicado por Eckle et al. que la formación de túneles de partículas se produce de hecho en tiempo real cero. [64] Sus pruebas involucraron electrones tunelizados, donde el grupo argumentó que una predicción relativista para el tiempo de tunelización debería ser de 500 a 600 attosegundos (un attosegundo es una quintillonésima parte ( 10-18 ) de un segundo). Todo lo que se pudo medir fueron 24 attosegundos, que es el límite de la precisión de la prueba. Una vez más, sin embargo, otros físicos creen que los experimentos de tunelización en los que las partículas parecen pasar tiempos anormalmente cortos dentro de la barrera son de hecho totalmente compatibles con la relatividad, aunque existe un desacuerdo sobre si la explicación implica remodelar el paquete de ondas u otros efectos. [61] [62][sesenta y cinco]

Renunciar a la relatividad (absoluta)

Debido al fuerte apoyo empírico de la relatividad especial , cualquier modificación 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 la obra de Giovanni Amelino-Camelia y João Magueijo . [66] [67] Existen 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 preferidopor medidas 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 (mucho menos construir) experimentos para probar esta hipótesis. A pesar de esta dificultad, se han propuesto tales experimentos. [68]

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 el espacio entre objetos distantes. expandirse 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 rapido que la luz. [69] Miguel Alcubierre teorizó que sería posible crear una unidad warp, en el que un barco estaría encerrado en una "burbuja de deformación" 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 llegar a un destino lejano mucho más rápido que un rayo de luz que se mueve fuera de la burbuja, pero sin objetos dentro de la burbuja que viajan localmente más rápido que la luz. [70] Sin embargo, varias objeciones planteadas contra el impulso de Alcubierre parecen descartar la posibilidad de utilizarlo en la 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 la unidad de Alcubierre, los viajeros se mueve a través del agujero de gusano no localmentemoverse 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 inicial) 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 viaje más rápido que el 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: alto, 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 pasa el tiempo. [71]

Violación de simetría de Lorentz

Artículos principales: Búsquedas modernas de violación de Lorentz y extensión de modelo estándar

La posibilidad de que la simetría de Lorentz pueda ser violada ha sido seriamente considerada en las últimas dos décadas, particularmente después del desarrollo de una teoría de campo efectiva realista que describe esta posible violación, la llamada Extensión del Modelo Estándar . [72] [73] [74] Este marco general ha permitido búsquedas experimentales mediante experimentos de rayos cósmicos de energía ultra alta [75] y una amplia variedad de experimentos en gravedad, electrones, protones, neutrones, neutrinos, mesones y fotones. [76] La ruptura de la rotación y la invariancia de impulso causa dependencia de la dirección en la teoría, así como una dependencia energética no convencional que introduce efectos novedosos, incluidas las oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz.y modificaciones en 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 simetría de Lorentz rota, se postula que la simetría todavía está incorporada en las leyes más fundamentales de la física, pero que la ruptura espontánea de la simetría de la invariancia de Lorentz [77] poco después del Big Bang podría haber dejado un "campo reliquia" en todas partes. el universo que hace que las partículas se comporten de manera diferente dependiendo de su velocidad relativa al campo; [78] 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 sean dependientes de la energía. Por lo tanto, como se reconoce ampliamente, [79] [80] los límites de baja energía existentes no se pueden aplicar a los fenómenos de alta energía; sin embargo, se han realizado muchas búsquedas de violación de Lorentz a altas energías utilizando la Extensión del modelo estándar . [76] 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

Artículo principal: teoría del vacío superfluido

En este enfoque, el vacío físico se ve 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. [81] 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 en el estado fundamental se describe mediante la ecuación logarítmica de Schrödinger . Se demostró que la interacción gravitacional relativista surge como la excitación colectiva de pequeña amplitudmodo [82] mientras que las partículas elementales relativistas pueden ser descritas por los modos similares a partículas en el límite de momentos bajos. [83] 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 velocidad de la luz con energía finita; Además, la propagación más rápida que la luz es posible sin que los objetos en movimiento tengan una masa imaginaria . [84] [85]

Resultados del vuelo FTL neutrino

Experimento MINOS

Artículo principal: MINOS

En 2007, la colaboración MINOS informó resultados que midieron el tiempo de vuelo de neutrinos de 3 GeV que arrojaron una velocidad que excedía la de la luz en una significancia de 1.8 sigma. [86] Sin embargo, esas medidas se consideraron estadísticamente consistentes con los neutrinos que viajan a la velocidad de la luz. [87] Después de que los detectores del proyecto se actualizaron en 2012, MINOS corrigió su resultado inicial y llegó a un acuerdo con la velocidad de la luz. Se realizarán más mediciones. [88]

Anomalía de neutrinos OPERA

Artículo principal: anomalía de neutrinos más rápida que la luz

El 22 de septiembre de 2011, una preimpresión [89] de la Colaboración OPERA indicó la detección de neutrinos muónicos de 17 y 28 GeV, envió 730 kilómetros (454 millas) desde el CERN cerca de Ginebra, Suiza al Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia, viajando más rápido que luz por una cantidad relativa de2,48 × 10 −5 (aproximadamente 1 en 40.000), una estadística con significación de 6.0 sigma. [90] El 17 de noviembre de 2011, un segundo experimento de seguimiento realizado por científicos de OPERA confirmó sus resultados iniciales. [91] [92] Sin embargo, los científicos se mostraron escépticos acerca de los resultados de estos experimentos, cuya importancia fue discutida. [93] En marzo de 2012, la colaboración ICARUS no pudo reproducir los resultados de OPERA con su equipo, detectando el tiempo de viaje de los neutrinos desde el CERN al Laboratorio Nacional Gran Sasso indistinguible de la velocidad de la luz. [94]Más tarde, el equipo de OPERA informó dos fallas 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, lo que causó mediciones aparentemente más rápidas que la luz, y un oscilador de reloj marcando demasiado rápido. [95]

Taquiones

Artículo principal: Tachyon

En relatividad especial, es imposible acelerar un objeto a la velocidad de la luz, o que un objeto masivo se mueva a la velocidad de la luz. Sin embargo, es posible que exista un objeto que siempre se mueva más rápido que la luz. Las hipotéticas partículas elementales con esta propiedad se denominan taquiones o partículas taquiónicas. Los intentos de cuantificarlos no lograron producir partículas más rápidas que la luz y, en cambio, ilustraron que su presencia conduce a una inestabilidad. [96] [97]

Varios teóricos han sugerido que el neutrino podría tener una naturaleza taquiónica, [98] [99] [100] [101] mientras que otros han cuestionado la posibilidad. [102]

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 la pulsión de Alcubierre , que se puede pensar que produce una onda en el espacio-tiempo que lleva un objeto consigo. Otro posible sistema es elagujero de gusano , que conecta dos lugares distantes como por 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", sería necesario 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 de causalidad . Muchos físicos creen que los fenómenos anteriores son imposibles y que las futuras teorías de la gravedad los prohibirán. Una teoría establece que los agujeros de gusano estables son posibles, pero que cualquier intento de utilizar una red de agujeros de gusano para violar la causalidad resultaría en su descomposición. [ cita requerida ] En teoría de cuerdas , Eric G. Gimon y Petr Hořava han argumentado [103] que en un universo supersimétrico de Gödel de cinco dimensiones, las correcciones cuánticas de la relatividad general cortan con eficacia regiones del espacio-tiempo con curvas cerradas de tipo temporal 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 pasa una curva cerrada en forma de tiempo a través de cada punto, no existen curvas completas en la región interior delimitada por el tubo.

En ficción y cultura popular

Los viajes FTL son un tropo común en la ciencia ficción . [104]

Ver también

Páginas principales: Categoría: Viajes más rápidos que la luz y Categoría: Comunicación más rápida que la luz
  • Anomalía de neutrinos más rápida que la luz
  • Viaje intergaláctico
  • Tubo de Krasnikov
  • Velocidad variable de la luz
  • Teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman
  • Luz lenta


Notas

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enlaces externos

  • Medición de la velocidad del neutrino con el detector OPERA en el haz de CNGS
  • Enciclopedia de física y tecnología láser sobre "transmisión superluminal" , con más detalles sobre la velocidad de fase y grupo, y sobre la causalidad
  • Markus Pössel: Velocidades más rápidas que la luz (FTL) en experimentos de túneles: una bibliografía comentada
  • Alcubierre, Miguel; The Warp Drive: Viaje hiperrápido dentro de la relatividad general , gravedad clásica y cuántica 11 (1994), L73 – L77
  • Una visión sistematizada de la propagación de ondas superluminales
  • Preguntas frecuentes sobre relatividad y viajes FTL
  • Preguntas frecuentes sobre física de Usenet: ¿Es posible viajar o comunicarse mediante FTL?
  • Relatividad, FTL y causalidad
  • Yan, Kun (2006). "Las ecuaciones analíticas de tendencia de nucleidos estables y las leyes de movimiento de velocidad superluminal de la materia en el geoespacio". Progreso en Geofísica . 21 : 38. Bibcode : 2006PrGeo..21 ... 38Y .
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  • Aceleradores de partículas superlumínicos cónicos y paraboloidales
  • Relatividad y FTL (= movimiento superluminal) Página de inicio de viajes
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