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¿POR QUÉ NO PODEMOS VIAJAR A LA VELOCIDAD DE LA LUZ?

La velocidad de la luz en el vacío es un límite de velocidad cósmico absoluto. Nada puede ir más rápido que los casi 300.000 km/s que es la velocidad de la luz.

 De acuerdo con las leyes de la física, a medida que nos acercamos a la velocidad de la luz, tenemos que proporcionar más y más energía para que un objeto se mueva. Para alcanzar la velocidad de la luz, necesitarías una cantidad infinita de energía, cosa que es imposible.

Es posible que hayais escuchado alguna vez que un objeto que viaja a la velocidad de la luz gana una masa infinita, pero eso no es exactamente cierto. El objeto en realidad no gana masa física, pero se comporta como si lo hubiera hecho. Por ejemplo, si una persona de 65 kg viajara al 50 % de la velocidad de la luz, se comportaría como si tuviera una masa de 87 kg. Al 90%, se comportaría como si pesara 172 kg.

Entonces, si la masa no puede viajar a la velocidad de la luz, ¿cómo puede hacerlo la luz? La luz está formada por fotones, que son  partículas sin masa  y, por lo tanto, no requieren energía para moverse, la naturaleza es muy sabia…

Explicación genial del gran Carl Sagan de la velocidad de la luz:

Otras cosas curiosas que ocurren al viajar a la velocidad de la luz es la llamada dilatación del tiempo. El tiempo se ralentiza a medida que te acercas a la velocidad de la luz y cuando la alcanzas, el tiempo se detiene. Para un fotón no existe el tiempo, todo sucede instantáneamente. 

La dilatación del tiempo nos afecta todo el tiempo en la vida cotidiana, pero sus efectos son tan pequeños que no podemos verlos. Según la teoría de la relatividad, “los relojes en movimiento van lentos”. Lo que significa que si arrojas tu reloj por un precipicio, la hora que muestra estará ligeramente atrasada con respecto a un reloj que no haya sido arrojado por un precipicio. Este es el caso de todos los relojes, mecánicos y biológicos. En realidad, envejeces más lentamente a velocidades tan altas, pero tendrías que viajar bastante rápido para notar una gran diferencia. Por ejemplo, alguien que ha estado en la estación espacial internacional durante 6 meses habrá envejecido 0,005 segundos menos que alguien aquí en la tierra. La ISS viaja alrededor de la tierra una vez cada 90 minutos, pero aún así es solo el 0,003% de la velocidad de la luz. 

Imaginemos que viajamos en una nave espacial al 98% de la velocidad de la luz durante unos minutos… ¿Qué veríamos?

Si pudiéramos ver lo que está pasando, una persona que viaja hacia nosotros a la velocidad de la luz parecería azul, ya que las ondas de luz que rebotan en ellos y en su ojo se habrán aplastado y compactado, acortando la longitud de onda. A esto lo llamamos corrimiento al azul. De manera similar, si la persona estuviera viajando alejándose de nosotros las ondas de luz se estirarían, lo que haría que la longitud de onda fuera más larga y aparecerían rojas, y a eso lo llamamos corrimiento hacia el rojo. Para la persona que viaja a la velocidad de la luz, todo lo que se encuentre frente a ella se aplastará en lo que parece un túnel borroso, el anillo exterior del túnel aparecerá rojo y el interior azul…

Sí alguna vez viajáis a esa velocidad será alucinante!!!

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Pequeña guía para viajes a velocidades cercanas a la de la luz

Sí quisiéramos construir una nave que pudiera viajar a una velocidad cercana a la luz nos tendríamos que plantear una serie de preguntas, como por ejemplo: cómo sería esa nave o qué ocurriría con el tiempo y el espacio. De momento con la tecnología actual no podríamos hacerlo, pero sí podemos preguntarnos teóricamente que tendríamos que tener en cuenta cuando esa tecnología sea posible.

Photo by Matheus Bertelli on Pexels.com

Primero hay algunas cosas importantes que debemos saber acerca de acercarse a la velocidad de la luz. En primer lugar hay que saber cual es la velocidad a la que nos queremos acercar. Para ello vamos a definir lo el termino año luz.

Año luz: es la distancia que recorre la luz en el vacío en un año. Como la velocidad de la luz es de 299.792 km/s, y un año tiene 31536000 segundos (se considera el año juliano: 365.25 días), la luz recorre en un año: 9,46 × 10¹² km = 9 460 730 472 580,8 km a ese espectacular número lo llamamos un año luz.

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Definición de año luz

Para distancias en el sistema solar también podemos usar, aparte de la unidad astronómica, los segundos luz o minutos luz, así por ejemplo la distancia de la Tierra al Sol es de 8.31 minutos luz. Para distancias aun más lejanas sobretodo para estrella muy alejadas y galaxias se utiliza el Pársec, que equivale a 3.26 años luz, y para distancias mucho más lejanas el kilopársec o el megapársec.

  • Estrellas y galaxias, algunas distancias a modo de ejemplo:
  • Próxima Centauri: 4.24 años luz
  • Vega: 25.3 años luz
  • Deneb: 1425 años luz
  • Radio de nuestra galaxia: 50.000 años luz
  • M31 (Galaxia de Andrómeda): 2.5 millones de años luz
  • M101 (Galaxia del Molinete): 25 millones de años luz

En comparación con las enormes distancias anteriores como hemos visto los diversos componentes del Sistema Solar están a sólo unos minutos o pocas horas luz de distancia de la Tierra, como podéis ver en el espectacular gráfico de Theplanets.org.

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Las distancias en el espacio son enormes y es complicado darles un número con las unidades que usamos en el día a día en la Tierra, como son los metros o kilómetros, el espacio entre estrellas es de millones o billones de kilómetros, y entre galaxias aun mucho mayor con lo que tenemos que buscar unidades que nos simplifiquen los números y no nos sea engorroso utilizarlas.

Una vez sabemos la definición de año luz y sabemos el valor de la velocidad de la luz, nos planteamos que cosas raras pueden ocurrir cuando nos acercamos a esa velocidad. Primero, pueden suceder muchas cosas extrañas, como el tiempo y el espacio que se deforman.

Por ejemplo, si te mueves casi a la velocidad de la luz, según el reloj dentro de tu cohete, solo tardarás un poco más de la mitad del tiempo en llegar a tu destino en comparación con lo que diría un reloj en tu planeta. El resultado final es que tu tiempo se ha ralentizado en comparación con el la Tierra.

Además, debido a que se va tan rápido, lo que de otro modo serían solo unos pocos átomos de hidrógeno con los que nos encontraríamos en el espacio y chocarían con la nave a una velocidad normal, ahora al encontrarnos en nuestro viaje con tantos átomos estos se convertirían en muchas partículas peligrosas, por lo que probablemente nuestra hipotética nave debería tener escudos que eviten que se desintegre por el rozamiento a una velocidad enorme con el choque con esas partículas.

Otra cosa a tener en cuenta es la aceleración, no podemos de repente alcanzar la velocidad de la luz, hay que ir acelerando paulatinamente, así como cuando estemos llegando a nuestro destino tenemos que desacelerar, no se pude parar de golpe.

Si bien viajaríamos muy rápido, el universo también es un lugar muy grande, por lo que es posible que nos llevemos algunas sorpresas. Por ejemplo, a pesar de que estás viajando casi a la velocidad de la luz y, como recuerdas, la rareza del tiempo y el espacio harán que la distancia te parezca más corta, el reloj de tu cohete seguirá diciendo que tarda un poco más de nueve meses. solo para llegar de la Tierra al borde del sistema solar. Según un reloj de la Tierra, es incluso más largo, más de año y medio. 

Un viaje a la galaxia de Andrómeda, nuestra gran galaxia vecina más cercana podría llevar más de dos millones de años, y un viaje a la galaxia más lejana conocida podría tomar más de 15 mil millones de años. Con lo que os recomiendo de momento viajes cercanos a los confines del sistema solar o a estrellas cercanas que nos llevarían unos pocos años.

La NASA ha hecho un vídeo muy didáctico explicando estas cuestiones:

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Viaja a la velocidad de la luz por el sistema solar

¿Os gustaría viajar a la velocidad de la luz y atravesar parte del sistema solar en pocos minutos? El siguiente vídeo trata de recrear la experiencia de viajar desde el Sol hasta el planeta Júpiter, hasta ver el Sol como una tenue estrella.

El recorrido comienza en la superficie del sol, y desde esa posición nos lanza hacia los planetas gigantes gaseosos a la velocidad de la luz, 300.000 km por segundo, llegando hasta una distancia de 805 millones de kilómetros en casi 45 minutos, sí queréis saber como se verían los planetas y el Sol desde esa distancia no tenéis más que disfrutar del siguiente vídeo:

Vídeo: Riding Light – Traversing the Solar System at the speed of light

minutosluzImagen: Los planetas y su distancia en minutos y horas luz (pulsar para ver los detalles)

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Para saber más:

La distancia a los planetas en minutos y horas luz

La velocidad de la Luz

¿Qué es un Agujero Negro?

Definición: Un agujero negro es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella.

Se define también como una ROTURA DEL ESPACIO-TIEMPO

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La curvatura del espacio-tiempo es una de las principales consecuencias de la teoría de la relatividad general de acuerdo con la cual la gravedad es efecto o consecuencia de la geometría curva del espacio-tiempo. Los cuerpos dentro de un campo gravitatorio siguen una trayectoria espacial curva, aún cuando en realidad pueden estar moviéndose según líneas de universo lo más «rectas» posibles a través un espacio-tiempo curvado.

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Imaginemos que estiramos una sabana, y estirada dejamos en su centro una bola de hierro. La sabana se hundirá por el peso de la bola, ese hundimiento del espacio lo genera la gravedad, es espacio se deforma, sí ahora dejamos sobre la sábana otra bola más pequeña será atraída hacia la más grande ya que el espacio se ha deformado y cae hacia ella. La gravedad genera en el espacio esos pozos, cuando se rompe ese espacio se produce un agujero negro.

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Sí nuestro Sol concentrara toda su masa hasta unos 3 km de diámetro. En ese punto la luz se retendría  debido a la enorme gravedad. Sí este corazón estelar se comprime hasta que tenga densidad infinita y volumen cero estaremos ante un agujero negro. Se genera un singularidad y  un agujero negro. Se produce la rotura del espacio y del tiempo.

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La gravedad de un agujero negro, provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada,llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones de campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio.

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No todas las estrellas se acaban convirtiendo en agujeros negros. Podemos saberlo a partir de la masa del sol:

-Sí una estrella es menor en 1.4 veces la masa del Sol se convertiría en una enana blanca.

-Sí la masa se haya entre 1.4Ms y 3Ms se convertiría en una estrella de neutrones alcanzando altas densidades, estas estrellas son las causantes de los pulsares (altas rotaciones emitiendo energía electromagnética).

-Sí la estrella tiene una masa superior a 3Ms el colapso de la misma la convertirá en un agujero negro.

¿Porque no puede escapar la luz de un agujero negro?

-Nada puede superar la velocidad de la luz, para escapar es necesario superar la velocidad de escape de un agujero negro que es superior a la velocidad de la luz.

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Si en esa formula cambiamos v por la velocidad de la luz y despejamos R, obtenemos el radio de Scwarzschild, que nos da el radio del horizonte de sucesos. Cuanto mayor masa tenga una estrella y menor radio tendrá muchas posibilidades de convertirse en un agujero negro.

Partes de un agujero negro:

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Tipos de agujeros negros:

Agujeros negros supermasivos: con masas de varios millones de masas solares. Se hallarían en el corazón de muchas galaxias. Se forman en el mismo proceso que da origen a los componentes esféricos de las galaxias.

Agujeros negros de masa estelar. Se forman cuando una estrella de masa 2,5 veces mayor que la del Sol se convierte en supernova e implosiona. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más. Este es el tipo de agujeros negros postulados por primera vez dentro de la teoría de la relatividad general.

Micro agujeros negros. Son objetos hipotéticos, algo más pequeños que los estelares. Si son suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en un período relativamente corto mediante emisión de radiación de Hawking.

Como los detectamos:

-Se detectan por la alta emisión de radiación que realizan y por las altas velocidades de las estrellas que los rodean.

En nuestra Galaxia hay un agujero negro supermasivo, el denominado Sagitario A:

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*Complemento: La Ciencia de Interstellar, infografía de Space.com

Diagrams explain the physics concepts of

Source SPACE.com: All about our solar system, outer space and exploration.