I. Asimov - Vida y Tiempo

La ciencia ficción, a la que soy muy aficionado, siempre se refiere a viajes a cualquier velocidad, por elevada que sea. En definitiva, sería necesaria una velocidad de muchos millones de kilómetros por segundo caso de pretender viajar entre las estrellas dedicando un tiempo relativamente comparable al fácil viaje entre la Tierra y la Luna.
Sin embargo, de acuerdo con unas bien establecidas teorías y observación, no hay modo de que nada con masa (por ejemplo, nosotros o nuestros vehículos) pueda superar, ni siquiera igualar, la velocidad de la luz en el vacío, y eso sólo alcanza los 299.792,5 kilómetros por segundo.
La mayoría de los no científicos encuentran esta limitación paradójica, e incluso absurda, estando seguros de que se trata de un error. Ellos están seguros, en cierto modo, de que esa limitación se puede superar.
Se insiste tanto en esto que me veo impulsado a menudo a discutir sobre el tema, y el siguiente ensayo es mi más reciente intento de reconciliar la opinión pública con la realidad de las cosas.
En lo que a mi respecta concretamente, no hay nada inquietante en esta limitación de velocidad en el Universo real. Como he dicho antes, la velocidad me pone nervioso. La velocidad de la luz, por lenta que pueda ser en la escala del Universo, a mi me basta. Incluso me parece un poco excesiva.
El límite extremo de la velocidad
Si usted empuja algo con la suficiente fuerza, esto empezará a moverse. Si usted continúa empujándolo mientras se mueve, se acelera; o sea, que se mueve más deprisa.
¿Por qué tiene que haber un límite a la velocidad de desplazamiento? Si seguimos impulsando una cosa, cada vez debería ganar más velocidad, ¿no es así?
Cuando algo se mueve, tiene "energía cinética". La cantidad de energía cinética poseída por un objeto en movimiento depende de su velocidad y de su masa. La velocidad es una propiedad en línea recta que es fácil de alcanzar. Decir que una cosa se desplaza a elevada o a escasa velocidad ofrece una clara imagen a la mente.
La masa es algo más sutil. La masa está relacionada con la facilidad con que puede ser acelerado un objeto. Suponga que tiene dos pelotas de béisbol, una de las cuales sea convencional y la otra una imitación exacta de acero sólido. Sería mucho más costoso acelerar la bola de acero a una velocidad particular arrojándola que haciendo lo mismo con una pelota de béisbol ordinaria. Sucede que la bola de acero posee mayor masa.
La fuerza gravitatoria depende también de la masa. La bola de acero se ve atraída más poderosamente por la tierra que la pelota de béisbol, y ello se debe a que la bola de acero posee más masa. Así, pues, por lo general, sobre la superficie de la tierra, un objeto más macizo resulta más pesado que otro que no sea tan macizo.
De hecho, resulta común (si bien no realmente correcto) decir "más pesado" y "más ligero" cuando queremos decir "más macizo" y "menos macizo".
Bien, pues, volvamos a nuestro objetivo móvil que posee una energía cinética que depende tanto de la velocidad como de la masa.
Si ese objeto móvil se ve desplazado con mayor rapidez, por medio de ese empuje al que nos hemos referido, entonces aumenta su energía cinética. Este aumento se ve reflejado tanto en un aumento de la velocidad como de la masa, los dos factores de los que depende la energía cinética.
A bajas velocidades, las velocidades ordinarias que conocemos en nuestro mundo, la mayor parte del aumento de la energía cinética supone una elevación de la velocidad y muy poco aumento de masa.
De hecho, el aumento de masa es tan ínfimo a velocidades corrientes que no podría siquiera ser medido. Así, pues, por esta razón quedó establecido que cuando un objeto ganaba energía cinética, sólo aumentaba la velocidad, mientras que la masa permanecía sin alteración.
Como resultado de ello, la masa era a menudo incorrectamente definida como simplemente la cantidad de materia en cualquier objeto, algo que, obviamente, no podía cambiar con la velocidad.
Sin embargo, en los años noventa del siglo XIX surgieron razones teóricas para considerar la posibilidad de que la masa aumentaba cuando la velocidad lo hacía. Después, en 1905, Albert Einstein, en su Teoría especial de la relatividad, explicó exactamente en qué consistía la materia, presentando una ecuación que expresaba cómo aumentaba la masa conforme aumentaba la velocidad.
Utilizando tal ecuación, se puede calcular que un objeto que tenga una masa "en reposo" de 1 Kg alcanza una masa de 1,005 Kg cuando se desplaza a 30.000 Km por segundo. (Una velocidad de 30.000 Km por segundo es mucho mayor que cualquier velocidad media antes del siglo XX, e incluso entonces, el aumento de la masa es sólo la mitad del 1 por ciento. No debe sorprendernos que el aumento de la masa no se sospechara nunca antes de nuestro siglo.)
Conforme continúa incrementándose la velocidad, la masa empieza a aumentar más rápidamente. A 150.000 Km por segundo, el objeto que tenga una "masa en reposo" de 1 Kg alcanza una masa de 1,15 Kg
A 270.000 Km por segundo, la masa llega a los 2,29 Kg
Según aumenta la masa, también crece la dificultad de acelerar más el objeto y hacer que se mueva con mayor rapidez. (Ésa es la definición de la masa.)
Un empuje de determinada magnitud cada vez es menos efectivo para aumentar la velocidad del objeto y es más efectivo para aumentar su masa.
Para cuando la velocidad ha llegado a 299.000 Km por segundo, casi toda la energía conseguida por un objeto mediante empujes adicionales supone un aumento de masa pero muy poco de velocidad.
(Esto es justamente lo contrario de la situación a velocidades muy bajas.)
Cuando nos aproximamos a una velocidad de 299.792,5 Km por segundo casi toda la energía extra derivada de un empuje se convierte en masa adicional, pero no así en velocidad adicional. Si una velocidad de 299.792,5 kilómetros por segundo pudiera ser alcanzada, la masa de cualquier objeto en movimiento con una masa en reposo superior a cero podría ser infinita. Entonces ningún empuje, por grande que fuese, podría hacerla moverse a mayor velocidad.
Sucede que 299.792,5 Km por segundo es la velocidad de la luz y lo que nos dice la Teoría especial de la relatividad de Einstein es que resulta imposible para cualquier objeto con masa ser acelerado a velocidades iguales o mayores que la de la luz. La velocidad de la luz (en un vacío) es el límite de velocidad absoluto para objetos con masa, objetos como nuestras naves espaciales y nosotros mismos.
No se trata sólo de una teoría. Velocidades muy próximas a la de la luz han sido medidas desde que se publicó la Teoría Especial y el aumento de masa que hemos encontrado resulta exactamente como lo que se había predicho. La Teoría Especial ha predicho toda clase de fenómenos que han sido observados con gran exactitud, y parece que no existe ninguna razón para dudar de la teoría o para dudar del hecho de que la velocidad de la luz sea la velocidad límite para todos los objetos con masa.
Seamos más fundamentales. Todos los objetos con masa están compuestos de combinaciones de partículas subatómicas que poseen masa; tenemos, por ejemplo, el protón, el electrón y el neutrón.
Éstos, y otros como éstos, siempre deben moverse a velocidades inferiores a la de la luz. Todas estas partículas poseedoras de masa han sido agrupadas bajo la denominación de "tardiones", un nombre inventado por Olexa-Myron Bilaniuk y sus colaboradores.
Sin embargo, existen partículas que en reposo no tendrían ninguna masa (una "masa en reposo de cero"). No obstante, estas partículas nunca están en reposo, de modo que el valor de la masa en reposo tiene que ser determinado indirectamente y no por medición directa en reposo. Por lo tanto, Bilaniuk propuso el término "masa propia" para remplazar el de masa en reposo, a fin de evitar hablar de la masa en reposo de algo que nunca está en reposo.
Resulta que cualquier partícula con una masa propia de cero debe viajar a la velocidad de 299.792,5 Km por segundo ni más ni menos. La luz está compuesta de fotones, partículas que tienen una masa propia de cero, y por tal razón la luz se desplaza a 299.792,5 Km por segundo, conociéndose por eso como la "velocidad de la luz".
Otras partículas con masas propias de cero, tales como los neutrinos o gravitones, también viajan a la velocidad de la luz. Bilaniuk sugirió que tales partículas con masa cero fueran denominados "luxones", palabra derivada de la latina lux: "luz".
El límite de velocidad celestial, el de la luz, ha sido un problema para los escritores de ciencia ficción a causa de que ha limitado en gran medida el alcance de sus relatos. La estrella más cercana, Alfa Centauro, está a 40 billones de kilómetros. A la velocidad de la luz, costaría 4, 3 años (tiempo de la Tierra) ir desde nuestro planeta a Alfa Centauro, y otros 4, 3 años regresar.
El límite de velocidad de la Relatividad Especial significa, por lo tanto, que deberían transcurrir por lo menos 8, 6 años en la Tierra antes de que algo pudiera realizar un viaje de ida y vuelta a nuestra estrella más cercana. Deberían, pues, transcurrir 600 años por lo menos, para que algo pudiera ir y venir de la Estrella Polar. Pasarían 5 millones de años como mínimo para realizar el viaje de ida y vuelta a la Galaxia de Andrómeda.
Teniendo en cuenta estos lapsos mínimos de tiempo, costaría 150.000 años ir y venir del extremo opuesto de la galaxia, y recordando que el tiempo sería mucho mayor en cualesquiera condiciones razonables, supondría hacer extraordinariamente complicado cualquier relato de ciencia ficción que se refiriese a viajes interestelares. Los escritores de ciencia ficción que pretendiesen evitar este problema se verían confinados al sistema solar.
¿Qué se puede hacer?
Para empezar, los escritores de ciencia ficción pueden ignorar el problema y pretender que no existe límite. Sin embargo, eso no sería ciencia ficción, sólo cuentos de hadas.
Por otro lado, los escritores de ciencia ficción pueden suspirar y aceptar la limitación de velocidad con todas sus complicaciones. L. Sprague de Camp lo hacía rutinariamente y Poul Anderson escribió recientemente una novela, Tau Zero, que aceptaba el límite de una manera muy ingeniosa.
Finalmente, los escritores de ciencia ficción pueden hallar algún modo más o menos plausible de orillar el problema del límite de velocidad.
De este modo, Edward E. Smith, en su serie de novelas intergalácticas, presentaba algún sistema para reducir a cero la inercia de cualquier objeto. Con una inercia cero, cualquier empuje puede producir infinita aceleración, y Smith razonaba que cualquier velocidad que llegara al infinito sería, por lo tanto, posible.
Por supuesto, no hay ningún modo conocido de reducir a cero la inercia. Aun cuando hubiese un modo de hacerlo, la inercia es por completo equivalente a la masa y reducir la inercia a cero es reducir la masa a cero. Las partículas sin masa pueden ser aceleradas con infinita facilidad, pero sólo a la velocidad de la luz. La inercia cero de Smith haría posible viajar a la velocidad de la luz, pero no más deprisa que la luz.
Un sistema más corriente en la ciencia ficción es imaginar un objeto que abandona por completo nuestro universo.
Para ver lo que esto significa, consideremos una simple analogía. Supongamos que una persona debe avanzar por un terreno muy difícil: montañoso, lleno de precipicios, ríos torrenciales, etc. Podría aducir que es imposible avanzar más de tres kilómetros cada día. Si se ha concentrado durante tanto tiempo en el viaje de superficie como para considerar que es la única forma de avance concebible, podrá llegar a imaginar que el límite de velocidad de tres kilómetros al día representa una ley natural y un límite en todas las circunstancias.
Pero, ¿qué pasaría si viajara por el aire -no necesariamente en un vehículo a motor, como un avión o un cohete- sino en algo tan sencillo como un globo? Entonces podría recorrer fácilmente tres kilómetros en una hora o menos, sin que importara lo anfractuoso que fuera el suelo debajo de él. Al subir a un globo, saldría del "universo" que limitaba su velocidad. O, hablando de dimensiones, haría derivar un límite de velocidad para un viaje bidimensional por una superficie, pero no lo aplicaría al viaje en tres dimensiones mediante el empleo de un globo.
De igual modo, el límite einsteniano debe concebirse como aplicable sólo a nuestro propio espacio. En tal caso, si pudiéramos movernos más allá del espacio, como nuestro viajero en globo se desliga del viaje sobre la superficie, ¿qué pasaría? En la región más allá del espacio, o "hiperespacio", podría no existir ningún límite de velocidad. Uno se podría desplazar a cualquier velocidad, por enorme que fuera, mediante la adecuada aplicación de energía y, entonces, tras el lapso de unos segundos, quizá, volver a entrar en el espacio normal por algún punto, lo cual habría requerido dos siglos de viaje según el sistema ordinario.
El hiperespacio, expresado claramente o dado por sobrentendido, ha pasado a formar parte de la temática de los escritores de ciencia ficción desde hace varias décadas.
Muy pocos, o quizá ninguno, de entre los escritores de ciencia ficción, han pretendido que el hiperespacio y el viaje más rápido que la luz fuera algo más que una ficción a fin de simplificar el relato de las aventuras a escala galáctica o supergaláctica. Sin embargo, de forma bastante sorprendente, la ciencia pareció acudir en su ayuda. Lo que los autores de ciencia ficción relataban basándose sólo en su imaginación era algo que; en cierto modo, parecía tener justificación en la Relatividad Especial.
Supongamos que imaginamos un objeto con una masa en reposo de 1 kilogramo, desplazándose a 425.000 kilómetros por segundo. Esto se aproxima a la mitad de la velocidad de la luz, de modo que deberíamos descartarlo por imposible; pero de momento, no lo hagamos. Podemos utilizar las ecuaciones de Einstein para calcular cuál sería su masa a 425.000 kilómetros por segundo, y resulta que la masa sería igual a v-1 kilogramos. La expresión v-1 es lo que los matemáticos llaman un "número imaginario". Tales números no son en realidad imaginarios y tienen usos de importancia, pero no son la clase de números corrientes considerados apropiados para medir la masa. El sentimiento general sería considerar una masa imaginaria como "absurda" y descartarla.
No obstante, en 1962, Bilaniuk y sus colaboradores decidieron investigar en el asunto de la masa imaginaria y ver si se le podía dar un significado. Quizás una masa imaginaria implicaba sólo una serie de propiedades que eran diferentes de las poseídas por objetos con masa ordinaria.
Por ejemplo, un objeto con masa ordinaria, se aceleraba al ser empujado y perdía velocidad al atravesar un medio resistente. ¿Y qué si un objeto con masa imaginaria perdía velocidad al ser empujado y ganaba velocidad al cruzar un medio resistente?
Un objeto con una masa ordinaria tenía más energía cuanto más rápido se desplazaba.
¿Y qué si un objeto con masa ordinaria tenía menos energía conforme avanzaba con mayor rapidez?
Una vez fueron introducidos tales conceptos, Bilaniuk y los otros fueron capaces de demostrar que los objetos con masa imaginaria, yendo más deprisa que la velocidad de la luz, no violaban la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein. (En 1967, Gerald Feinberg, al discutir sobre esas partículas más rápidas que la luz, las llamó "taquiones", palabra derivada de otra griega que significa "velocidad".)
Sin embargo, esos taquiones más rápidos que la luz tienen sus limitaciones. Conforme ganan energía al ser empujados, se retardan, y conforme se desplazan con mayor lentitud, resulta más difícil hacer que se muevan más lentamente. Cuando se acercan a una velocidad tan limitada como los 299.792,5 Km por segundo ya no se puede hacer que vayan más despacio.
Así, pues, hay tres clases de partículas:
1. Tardiones, con una masa propia mayor que cero, que se puede desplazar a cualquier velocidad menor que la de la luz, pero que nunca puede alcanzar ninguna velocidad igual que la de la luz o superior.
2. Luxones, con una masa propia de cero, que puede desplazarse sólo a la velocidad de la luz.
3. Taquiones, con una masa propia imaginaria, que pueden moverse a cualquier velocidad superior a la de la luz, pero nunca igual a la velocidad de la luz o menos.
Concedido que los taquiones pueden existir sin violar la Relatividad Especial, ¿podemos decir que existen realmente?
Constituye una regla común en la física teórica, aceptada por numerosos físicos, que puede producirse cualquier cosa que no esté prohibida por las leyes básicas de la Naturaleza. Si los taquiones no están prohibidos, entonces deben existir. Pero, ¿cómo podemos detectarlos?
En teoría, existe un modo de hacerlo. Cuando un taquión pasa a través de un vacío a una velocidad superior a la de la luz (tal como debe de hacerlo), deja un destello de luz tras sí. Si esta luz fuese detectada, uno podría, por sus propiedades, identificar y caracterizar el taquión que ha pasado. Por desgracia, un taquión que se desplace a una velocidad superior a la de la luz permanece en un punto determinado (digamos que cerca de un aparato detector) durante sólo una increíblemente pequeña fracción de segundo. Las posibilidades de detectar un taquión son por lo tanto, increíblemente pequeñas y hasta ahora no ha sido detectado ninguno. (Pero esto no significa que no existan.)
Es perfectamente posible convertir una partícula de una clase en otra. Un electrón y un positrón, que son tardiones, pueden combinarse para formar rayos gamma que estén compuestos de luxones. Un rayo gamma puede ser reconvertido en un electrón y un positrón.
Puede parecer, pues, que no existe objeción teórica a la conversión de taquiones en luxones y viceversa; o, en el mismo sentido, en la conversión de tardiones en taquiones y viceversa si se puede encontrar el procedimiento apropiado.
Supongamos, entonces, que fuera posible convertir todos los tardiones de una nave espacial, junto con su contenido, tanto animado como inanimado, en taquiones equivalentes. La nave espacial de taquiones, sin intervalo perceptible de aceleración, se desplazaría quizás a mil veces la velocidad de la luz y llegaría a las proximidades de Alfa Centauro en un día más o menos. Allí podría ser reconvertida en tardiones.
Debe admitirse que esto es mucho más difícil de hacer que de decir. ¿Cómo se pueden convertir tardiones en taquiones, al tiempo que se mantienen todas las complejas interrelaciones entre los tardiones, digamos, en un cuerpo humano? ¿Cómo puede uno controlar la velocidad exacta y la dirección de viaje de los taquiones? ¿Cómo podrían reconvertirse los taquiones en tardiones con tal precisión que todo vuelva exactamente a su estado original, sin perturbar el delicado fenómeno llamado vida?
Pero supongamos que se pudiera hacer. En tal caso, ir a las distantes estrellas y galaxias mediante el universo de los taquiones, sería exactamente equivalente al sueño de la ciencia ficción de realizar viajes interestelares por el hiperespacio.
¿Se puede considerar que se ha resuelto el problema del límite de velocidad? ¿Tenemos ya el Universo a nuestros pies?
Es posible que no. En un artículo que escribí en 1969, sugerí que los dos universos que están separados por la "pared de luxones", la nuestra de los tardiones y la otra de los taquiones, presentaban una sospechosa asimetría. Las leyes de la Naturaleza eran básicamente simétricas, me parecía a mí, e imaginar velocidades inferiores a la de la luz a un lado de la pared y velocidades superiores a la de la luz en el otro lado de la pared no me parecía correcto.
Hablando con propiedad, sugerí (sin ningún análisis matemático y razonando enteramente a base de intuición), que en cualquier parte de la pared de luxones en la que estuviéramos nos parecía hallarnos en el universo de tardiones, y siempre el otro lado sería el del universo de taquiones. De este modo, ambos lados serían de tardiones, así como ambos lados de taquiones para el otro, y habría perfecta simetría.En la edición de 1971 del Anuario de Ciencia y Tecnología de "McGraw-Hill", Bilaniuk, en un artículo titulado "Espacio-iempo" sometió el tema a un cuidadoso análisis matemático y encontró que existía tal simetría entre los dos universos.
Y si esto es así, persiste el límite de velocidad. No importa el modo en que las naves espaciales vayan y vengan entre universos, siempre son de tardiones y siempre es el otro universo el que va más deprisa que la luz. Así que los escritores de ciencia ficción deberán buscar en otra parte su hiperespacio.