http://www.iac.es/ensenanza/relatividad/pdf/leccion_8.pdf

8. Velocidades ‘Superlumínicas’.
La ley relativista de adición de velocidades nos dice que la suma de dos velocidades
no excede nunca a la de la luz. Esto quiere decir que por más que incrementemos
sucesivamente la velocidad de un objeto, éste nunca sobrepasará la velocidad de la
luz.
Es decir, la teoría de Einstein establece un límite de velocidad infranqueable, la
barrera de la velocidad de la luz. Desde su descubrimiento a principios del siglo XX
muchos científicos han intentado derribar esta barrera proponiendo teorías y
realizando experimentos para buscar partículas que se movieran a velocidades
superiores a la de la luz.
En realidad, la velocidad de la luz no es estrictamente la velocidad máxima posible
para un objeto. Es, como hemos dicho, una barrera que impide que una partícula
pase de tener menor velocidad que la de la luz a tenerla mayor. Es decir, no hay
nada en la ley de adición de velocidades que impida que una partícula se mueva a
mayor velocidad que la de la luz si en toda su existencia ha sido así, si siempre ha
estado al otro lado de la barrera. Estas partículas han sido llamadas taquiones y
tendrían propiedades muy raras. Sin embargo, hasta el momento no han sido
detectadas.
En muchas ocasiones los científicos han ideado experimentos y analizado
fenómenos en los que parecía que se alcanzaban velocidades superiores a la de la
luz. Muchos de ellos se basan en una interpretación errónea de lo que es la
velocidad de un objeto. Por ejemplo, supongamos que observamos dos galaxias
que se mueven cada una con una velocidad 0.6 veces la de la luz apartándose una
de otra. La separación entre ambas crecerá a una velocidad 1.2 veces la de la luz.
Sin embargo no hay ningún cuerpo moviéndose a esta velocidad luego no se viola
la ley de adición de velocidades. Otro ejemplo sencillo es el siguiente; imaginemos
una cadena de bombillas muy larga (como las de los juegos de luces de Navidad)
conectada a un dispositivo (podemos poner un reloj independiente a cada bombilla)
de tal manera que se vayan encendiendo y apagando una bombilla detrás de otra,
creando en nuestro cerebro la impresión de que un punto luminoso se va
desplazando. Nada nos impide haber programado los relojes para que el punto
luminoso ficticio recorra la cadena a mayor velocidad que la de la luz. Sin embargo,
es obvio que lo que se esta moviendo no es un objeto real (ninguna bombilla se
mueve). Es nuestro cerebro el que crea la ilusión de movimiento. Es fácil reducir
este experimento al absurdo considerando solo dos bombillas. Cada una está
dotada de un reloj y los programamos para que la secuencia de apagado y
encendido entre ambas sea de una décima de segundo. Si ahora nos llevamos una
a La Luna y dejamos la otra en La Tierra podríamos decir que hemos transmitido
una señal a velocidad muy superior a la de la luz (la luz tarda ¿?? segundos en
recorrer la distancia Tierra-Luna) sin embargo nada se ha movido realmente entre
la Tierra y la Luna.
Este ejemplo contiene una sutileza muy instructiva. Los relojes han de ser preprogramados antes de que empiece a encenderse la cadena (si no la transmisión
eléctrica de las órdenes de encendido de bombilla a bombilla sería hecha a una
velocidad menor que la de la luz). Esto quiere decir que no se está transmitiendo
ninguna información en la cadena sino que de antemano hemos programado lo que
tiene que suceder. Este aspecto es muy relevante ya que nos hace ver la barrera
desde otro punto de vista: no es posible la transmisión de información a mayor
velocidad que la de la luz.
Otro ejemplo típico es el del faro. Supongamos que un faro gira con velocidad
angular constante, w. A una distancia r dada la velocidad de rotación del extremo
del haz será
v = w⋅r
Y bastará con que hagamos r lo suficientemente grande como para que la velocidad
de rotación supere la de la luz! Es decir bastará con que interceptemos la luz del
faro con una pantalla a gran distancia para que veamos que el haz del faro se
desplaza a mayor velocidad que la de la luz sobre la pantalla. Este ejemplo se
explica de la misma manera que el de la cadena luminosa suponiendo simplemente
que el haz de luz está formado por una fila interminable de fotones. Nosotros
vemos que uno llega e ilumina la pantalla y luego otro al lado y otro a continuación
creando la impresión de que un punto luminoso (el haz del faro) se mueve a mayor
velocidad que la de la luz, pero la realidad es que ningún fotón se mueve sobre la
pantalla.
Además de estos ejemplos y otros muchos parecidos los científicos han discutido y
discuten la existencia de velocidades superiores a las de la luz (superluminales) a
partir de medidas experimentales tanto en el campo de la Astrofísica como en el
mundo microscópico.
En Astrofísica se han llegado a medir velocidades superlumínicas aparentes de
hasta 30 veces la de la luz. El caso más típico es el del movimiento de materia en
un ‘jet’ de un QSO o una radio galaxia. En la Figura podemos ver un esquema de lo
que sucede. La materia se mueve desde el punto A hasta el B siguiendo una
trayectoria recta a una velocidad, v, inferior a la de la luz. El tiempo que tarda en
recorrer la distancia AB será simplemente AB/v. Sin embargo, el observador desde
la Tierra no tiene noción de profundidad y piensa que la materia se ha movido
desde C hasta B. Es decir la distancia aparente recorrida sería
d ap = CB = ABsenθ
Y tampoco tendrá en cuenta que la señal que emitió en el punto A ha debido
recorrer un camino extra hasta nosotros AC=ABcosθ que supone un tiempo extra
AB cosθ
c
Es decir mide un tiempo aparente
tap = AB / v −
AB cosθ
c
Y la velocidad aparente sería
vap =
d ap
tap
=
vsenθ
v
1 − cosθ
c
Dependiendo de los valores de θ y de v, la velocidad aparente puede ser mayor
que la de la luz. Esto sucede cuando el movimiento de materia se hace a gran
velocidad en dirección al observador (θ muy pequeño). En algunas galaxias se
producen eyecciones de materia ‘jets’ que pueden estar casualmente apuntando en
dirección al observador generando estas velocidades aparentes mayores que la de
la luz. Este es el caso de 3C273. Sin embargo, como hemos visto, es un efecto
aparente generado por nuestro desconocimiento de la profundidad a la que estaba
situado el punto A.
En el campo de la física de partículas se han anunciado recientemente varios
experimentos en los que se superaba la velocidad de la luz. Estos experimentos
están íntimamente ligados a la naturaleza ondulatoria de la materia y son muy
difíciles de interpretar e incluso de describir en detalle. Parece haber acuerdo en
que en ellos sí hay algo que se mueve a velocidad mayor que la de la luz, pero que
el fenómeno es más parecido al de la cadena de luces pre-programada que al
movimiento de un objeto material.
Esto quiere decir que no se transporta información a velocidad mayor que la de la
luz. Este resultado es muy relevante porque de acuerdo con la teoría especial de la
relatividad la transmisión de información a velocidad mayor que la de la luz violaría
el principio de causalidad que nos dice que las causas han de preceder siempre a
su efecto. Este es uno de los principios centrales de la ciencia y los investigadores
están dispuestos a admitir cambios muy importantes en sus teorías antes que
aceptar que puede fallar.