¡Santa ciencia! Al parece el tiempo es un camino con una sola dirección.
Escena de Back to the Future III.
Deslizándose sin preocupaciones a través del completo vacío del espacio, la luz cubre de manera constante 299.792.458 metros por segundo. Ni más ni menos. Sin embargo, todo esto cambia cuando esa onda de electromagnetismo se ve obligada a negociar los campos electromagnéticos que rodean pequeñas partículas de materia. Al atravesar este atolladero, la velocidad total de la luz puede disminuir a un ritmo relativamente lento.
El fenómeno descrito se manifiesta, por ejemplo, en la curvatura de la luz mientras viaja a través de un vaso de agua, o incluso en la asombrosa separación de las ondas en un arco iris.
Aunque los físicos pueden describir este retraso utilizando ecuaciones del siglo XIX sobre la luz y el electromagnetismo, todavía no han logrado captar adecuadamente el brusco cambio de velocidad de la luz entre diferentes medios en términos de ondas físicas.
La flecha del tiempo
Ahora, un trío de físicos de la Universidad de Tampere y la Universidad del Este, en Finlandia, ha propuesto una solución potencial a este problema, pero no antes de reconsiderar algunos principios bastante fundamentales sobre el avance de una onda de luz a través del tiempo y una sola dimensión del espacio.
«Básicamente, encontré una forma muy ingeniosa de derivar la ecuación de onda estándar en 1+1 dimensiones», afirma el primer autor del estudio, Matías Koivurova. «La única suposición que necesitaba era que la velocidad de la onda es constante. Luego pensé: ¿qué pasa si no siempre es constante? Y esta resultó ser una pregunta realmente interesante».
La velocidad de la luz, o «c» para usar su abreviatura, es un límite universal para la información que se desplaza a través del vacío. Si bien la materia puede ralentizar efectivamente el viaje global de una partícula, la teoría especial de la relatividad establece que esta propiedad fundamental no puede cambiar verdaderamente.
Sin embargo, a veces, la física exige un vuelo ocasional de la imaginación para explorar nuevos territorios. Así que Koivurova, junto con sus colegas Charles Robson y Marco Ornigotti, dejaron de lado esta verdad incómoda para considerar las consecuencias de una ecuación de onda estándar en la que una onda de luz arbitraria puede acelerar.
Inicialmente, su solución no tenía mucho sentido. Fue solo cuando reintrodujeron una velocidad constante como marco de referencia que las piezas encajaron.
Una representación artística de una onda encontrando un espacio-tiempo exponencialmente curvado. Ilustración: Matias Koivurova.
Envía una nave espacial a las profundidades del espacio a una velocidad, y sus pasajeros experimentarán el tiempo y la distancia de manera diferente a los observadores que siguen su viaje desde lejos. Esta diferencia se debe a la relatividad, una teoría que ha sido probada con éxito una y otra vez en todas las escalas posibles.
Al enmarcar una onda acelerada frente a una velocidad constante de la luz, los extraños efectos de la novedosa solución del equipo a la ecuación de onda estándar se asemejaron a los impuestos por la relatividad. Su descubrimiento tuvo profundas implicaciones para el debate sobre si el momento de una onda de luz aumenta o disminuye al cruzar a un nuevo medio.
«Lo que hemos demostrado es que, desde el punto de vista de la onda, no sucede nada con su momento. En otras palabras, el momento de la onda se conserva», afirma Koivurova.
Sin importar de qué tipo sea la onda —ya sea en un campo electromagnético, una ondulación en un estanque o una vibración en una cuerda—, las medidas de la relatividad y la conservación del momento deben tenerse en cuenta a medida que aumenta la velocidad. Esta generalización tenía otra consecuencia bastante notable, aunque un poco decepcionante.
Ya sea que nuestros intrépidos viajeros espaciales se dirijan hacia Alfa Centauri a una fracción de la velocidad de la luz, o que sus familiares en la Tierra envejezcan lentamente, cada uno de sus relojes respectivos avanza en lo que se considera tiempo propio. Los dos tiempos pueden estar en desacuerdo sobre la duración de un segundo, pero cada uno es una medida fiable de los años que pasan en su propio marco.
Si todas las ondas también experimentan tiempo propio gracias a la relatividad, argumentan los físicos, cualquier física gobernada por ondas debe tener una dirección temporal estricta. Una que no se puede revertir fácilmente para ninguna parte.
Hasta ahora, las ecuaciones solo se han resuelto para una sola dimensión del espacio (y tiempo). Se necesitarían experimentos para ver si esta perspectiva de las ondas es válida.
El estudio de los físicos finlandeses ha sido publicado en Optica.
Fuente: Tampere/SciAl. Edición: MP.
Nueva teoría de la física revela por qué los viajes en el tiempo al pasado son imposibles