Velocidad superluminal

Los teóricos han considerado que los neutrinos tienen una velocidad superluminal, en particular los físicos chinos entre los que se encuentran Ni Guang-Jiong, quienes buscaron una consistencia de esta hipótesis con la relatividad especial en mediciones admitiendo que sus masas pueden ser imaginarios puros . Otros investigadores estadounidenses, incluido JN Pecina-Cruz, también han considerado este caso. Hasta la fecha, nada nos permite decir que este trabajo ha predicho efectos similares a los (en última instancia no confirmados) medidos por OPERA, ni proporciona una interpretación o explicación válida.

Efecto Vavilov-Cherenkov

Muy familiar para el personal de la central nuclear , este es el efecto visual que se produce cuando determinadas partículas atómicas atraviesan la pared de Cherenkov , es decir, la velocidad de la luz en un medio determinado que no sea el vacío.

Para las centrales nucleares, es agua . De hecho, en tal medio, la velocidad de propagación de la luz es de 230.600  km / s (contra casi 300.000  km / s en el vacío), mientras que la de los electrones es de 257.370  km / s en el mismo medio. El efecto Čerenkov al pasar la luz es análogo al efecto Mach al pasar la barrera del sonido  ; pero "luminosa" y no "sonora": la onda de choque es un destello luminoso que persigue a la partícula cargada. Este efecto es la causa de la radiación de luz azul que emana de las piscinas de enfriamiento de los reactores nucleares .

Aquí la relatividad no se ve afectada en la medida en que sólo la velocidad de la luz en el vacío constituye un límite teórico. Luz que se propaga con menor rapidez en un entorno material  ; por lo tanto, es posible moverse más rápido que la luz, pero aún más lento que . vs{\ Displaystyle c}

Efecto STL

Inspirados por el efecto Čerenkov, muchos científicos han experimentado con aplicaciones para reducir la velocidad de la luz . Sin embargo, según la relatividad general , la materia y la luz pueden doblar el espacio-tiempo . El estudio más elocuente (basado tanto en el uso de la ralentización de la luz como en la curvatura del espacio-tiempo) es el experimento de un dispositivo que crea un haz de luz circular en un cristal fotónico que dobla la trayectoria de la luz ralentizándola . El efecto STL ( Espacio-tiempo Twisted by Light ), teorizado por el físico Ronald Mallett , consistiría en enviar un neutrón al espacio en el centro del rayo. Dos haces en este patrón, con luz viajando en direcciones opuestas, torcerían el espacio-tiempo dentro del bucle. El giro del neutrón se vería afectado por este espacio-tiempo tan distorsionado. A medida que el neutrón se mueve a mayor velocidad que la luz circular ralentizada, el resultado sería una reconstrucción del neutrón antes de que decaiga en el dispositivo. El doctor Ronald Mallett de la Universidad de Connecticut buscó desarrollar este dispositivo que ralentiza considerablemente la luz y podría (a diferencia del efecto Vavilov-Cherenkov ) influir en la causalidad . Sin embargo, subrayó las dificultades materiales de tal empresa y recordó que la ralentización de la luz requiere temperaturas cercanas al cero absoluto . Sin embargo, las primeras medidas son bastante convincentes y respaldadas por la Universidad de Connecticut, el informe público se publicó en noviembre de 2006.

Sin embargo, el físico J. Richard Gott destaca la diferencia entre reducir la velocidad de la luz en el vacío y hacer que la luz sea lenta haciéndola pasar a través de un material: “Debemos distinguir entre la velocidad de la luz en vacío de la velocidad en cualquier otro entorno. La primera es una constante y la segunda varía mucho. Por ejemplo, la luz viaja mucho más lentamente en el agua que en el vacío. Esto no significa que envejezcamos con menos rapidez en el agua o que sea más fácil doblar el espacio-tiempo. Los experimentos llevados a cabo hasta ahora no modifican la velocidad de la luz en el vacío, solo en otros entornos, y no deberían facilitar una torsión del espacio-tiempo. En particular, la cantidad de energía para formar un agujero negro o una máquina del tiempo en un material capaz de ralentizar la luz no cambiaría desde el vacío. "

En 2006, Ronald Mallett abandonó su idea: “Durante un tiempo, consideré la posibilidad de que la reducción de la velocidad de la luz pudiera aumentar el efecto de atracción del campo gravitacional del anillo láser ... sin embargo, no ha sido útil en mi investigación. . "

En astrofísica

En astrofísica , a veces se observan velocidades superlumínicas aparentes en los chorros de cuásares y microcuásares . Este fenómeno es solo el resultado de un efecto de proyección y la finitud de la velocidad de la luz. En estas dos clases de objetos encontramos un agujero negro alrededor del cual hay un disco de acreción . El disco está atravesado por un campo magnético que permite propulsar los chorros, a lo largo de un eje perpendicular al disco y centrado en el agujero negro.

Todavía no se explica claramente cómo un chorro producido por un disco de acreción puede alcanzar una velocidad lo suficientemente grande como para parecer superluminal a un observador distante. De hecho, incluso si este efecto es geométrico como se describe a continuación, todavía es necesario que el chorro alcance una velocidad mínima para que parezca superluminal. Un modelo prometedor, desarrollado en LAOG en Francia , propone que dentro de un chorro clásico no relativista (es decir, que no alcanza velocidades similares a la de la luz) se crean bajo ciertas condiciones pares de electrón - positrón . El chorro clásico, autocolimado por el campo magnético, permitiría crear un chorro de estos pares que luego alcanzaría velocidades ultrarrelativistas (muy cercanas a c ).

En nuestra galaxia , la Vía Láctea , el primer objeto que muestra estos chorros fue descubierto en 1994 y se llama GRS 1915 + 105 , y donde la velocidad de los chorros parece ser 1,3 veces mayor que la de la luz. Mediante observaciones que se extendieron de 2004 a 2009, el agujero negro en el centro de nuestra galaxia permitió localizar un fenómeno similar, rastro de un fenómeno de más de 500 años. Estos chorros superluminales se observan generalmente en ondas de radio con instrumentos como el VLA o VLBA . También se observan chorros superluminales  en el microquasar XTE J1550-564 (en) .

Las velocidades superlumínicas observadas en astrofísica son el resultado de un fenómeno bien conocido. En ningún caso las partículas de masa distinta de cero se mueven realmente a velocidades superiores a c . Por tanto, no hay violación del postulado de la relatividad especial .

El círculo de la figura representa un objeto material (paquete de gas, partículas), proyectado por el (micro) cuásar que emite luz y se mueve hacia arriba y hacia abajo según la flecha inclinada, con velocidad . Nos ubicamos en el marco de referencia del observador que somos ( por ejemplo: un astrónomo observando un microcuásar ). El observador se encuentra en la parte inferior de la figura, muy lejos del eje "y". Observamos el objeto en su posición superior a la vez , y en la parte inferior a la vez , (con ). v{\ Displaystyle v}t1{\ Displaystyle t_ {1}}t2{\ Displaystyle t_ {2}}t1<t2{\ Displaystyle t_ {1} <t_ {2}}

Por conveniencia, definamos:, donde es la velocidad de la luz . Naturalmente . Para cualquier partícula con masa distinta de cero . A la luz . β≡v/vs{\ Displaystyle \ beta \ equiv v / c}vs{\ Displaystyle c}v=βvs{\ Displaystyle v = \ beta \, c}0≤β<1{\ Displaystyle 0 \ leq \ beta <1}β=1{\ Displaystyle \ beta = 1}

Dado que existe un ángulo entre el eje "y" y la dirección del objeto en el espacio, la velocidad del objeto en movimiento proyectado sobre los ejes "x" e "y" se escribe respectivamente, mediante trigonometría simple  : θ{\ Displaystyle \ theta}

vy=βvsporque⁡(θ){\ Displaystyle v_ {y} = \ beta \, c \, \ cos (\ theta)}

vX=βvspecado⁡(θ){\ Displaystyle v_ {x} = \ beta \, c \, \ sin (\ theta)}

Si definimos el intervalo de tiempo entre y como , los intervalos de longitud proyectados en los ejes “x” ( ) e “y” ( ) del desplazamiento del objeto se obtienen como: t1{\ Displaystyle t_ {1}}t2{\ Displaystyle t_ {2}}Δt=t2-t1{\ Displaystyle \ Delta t = t_ {2} -t_ {1}}ΔlX{\ Displaystyle \ Delta l_ {x}}Δly{\ Displaystyle \ Delta l_ {y}}

Δly=vyΔt=βvsporque⁡(θ)Δt{\ Displaystyle \ Delta l_ {y} = v_ {y} \, \ Delta t = \ beta \, c \, \ cos (\ theta) \, \ Delta t}

ΔlX=vXΔt=βvspecado⁡(θ)Δt{\ Displaystyle \ Delta l_ {x} = v_ {x} \, \ Delta t = \ beta \, c \, \ sin (\ theta) \, \ Delta t}

Entre el tiempo y el tiempo , el objeto se ha movido a lo largo del eje "y" en una longitud . Pero el observador, que se encuentra a una distancia muy grande del objeto, no puede percibir el movimiento a lo largo del eje "y", y el objeto parece haberse movido sólo transversalmente. La luz emitida en el momento y que en el momento , por lo tanto, se emitió a la misma distancia del observador. Entonces, en apariencia, el tiempo observado es más corto que el tiempo real, ya que no se percibe el tiempo que tarda la luz en viajar . t1{\ Displaystyle t_ {1}}t2{\ Displaystyle t_ {2}}Δly{\ Displaystyle \ Delta l_ {y}}t1{\ Displaystyle t_ {1}}t2{\ Displaystyle t_ {2}}Δly{\ Displaystyle \ Delta l_ {y}}

Por el contrario, podríamos decir que el intervalo de tiempo realmente observado es más corto que el intervalo de tiempo real, ya que la luz ha salvado la distancia entre las dos observaciones, distancia que no es despreciable cuando la velocidad real es comparable a la de la luz. Para velocidades habituales, a escala humana (que son muy bajas en comparación con la velocidad de la luz), este tiempo es diminuto y perfectamente indetectable. Pero en el caso de que el objeto material se mueva con una velocidad comparable a la de la luz, este tiempo no es despreciable. Entonces : Δly{\ Displaystyle \ Delta l_ {y}}

Δtobs=Δt-Δlyvs=Δt(1-βporque⁡(θ)){\ Displaystyle \ Delta t _ {\ textrm {obs}} = \ Delta t \, - \, {\ frac {\ Delta l_ {y}} {c}} = \ Delta t \, \ left (1- \ beta \, \ cos (\ theta) \ right)}

Para velocidades a escala humana, es extremadamente pequeño y, por lo tanto , el término tiende a 0. En este caso, los intervalos de tiempo observados y reales son iguales. Asimismo, para un ángulo , el coseno es cero, la proyección a lo largo del eje "y" es cero y el efecto también. Sí , no vemos que el objeto se mueva transversalmente. Existe un ángulo intermedio, para el cual este efecto es máximo. Si es lo suficientemente grande, la velocidad aparente máxima es mayor que la de la luz. β{\ Displaystyle \ beta}βporque⁡(θ){\ Displaystyle \ beta \, \ cos (\ theta)}θ=90∘{\ Displaystyle \ theta = 90 ^ {\ circ}}θ=0∘{\ Displaystyle \ theta = 0 ^ {\ circ}}β{\ Displaystyle \ beta}

De hecho, la velocidad observada (de hecho calculada a partir de las observaciones) transversalmente, a lo largo del eje "x", o mejor, dividiendo por  : vs{\ Displaystyle c}

βobs=vobsvs=ΔlXΔtobs1vs=βpecado⁡(θ)1-βporque⁡(θ){\ Displaystyle \ beta _ {\ textrm {obs}} = {\ frac {v _ {\ textrm {obs}}} {c}} = {\ frac {\ Delta l_ {x}} {\ Delta t _ { \ textrm {obs}}}} {\ frac {1} {c}} = {\ frac {\ beta \, \ sin (\ theta)} {1- \ beta \, \ cos (\ theta)}}}

Esta función de se ilustra en la figura opuesta y puede exceder 1. Entonces, la velocidad observada puede exceder el valor de la velocidad de la luz, aunque la velocidad real sea menor (o en otras palabras, incluso si ). θ{\ Displaystyle \ theta}βobs>1{\ Displaystyle \ beta _ {\ textrm {obs}}> 1}β<1{\ Displaystyle \ beta <1}

Obtenemos la posición del máximo de la curva cancelando su derivada  :

DβobsDθ=(1-βporque⁡(θ))βporque⁡(θ)-(βpecado⁡(θ))2(1-βporque⁡(θ))2=0{\ Displaystyle {\ frac {d \ beta _ {\ textrm {obs}}} {d \ theta}} = {\ frac {(1- \ beta \, \ cos (\ theta)) \, \ beta \, \ cos (\ theta) - (\ beta \, \ sin (\ theta)) ^ {2}} {(1- \ beta \, \ cos (\ theta)) ^ {2}}} = 0}

Entonces el término superior debe ser cero, lo que implica que el máximo de la curva se obtiene cuando . β=porque⁡(θ){\ Displaystyle \ beta = \ cos (\ theta)}

Hay un valor mínimo por debajo del cual la velocidad observada nunca puede ser mayor que la velocidad de la luz. Por el contrario, si es mayor que este valor, siempre hay al menos un ángulo para el que la velocidad observada es mayor que la velocidad de la luz (es decir ). Reemplazando por en la expresión para , y igualando 1 para obtener el máximo de la curva exactamente a la velocidad de la luz, obtenemos que en este caso particular :, y que: β{\ Displaystyle \ beta}β{\ Displaystyle \ beta}βobs>1{\ Displaystyle \ beta _ {\ textrm {obs}}> 1}β{\ Displaystyle \ beta}porque⁡(θ){\ Displaystyle \ cos (\ theta)}βobs{\ Displaystyle \ beta _ {\ textrm {obs}}}β=porque⁡(θ)=pecado⁡(θ){\ Displaystyle \ beta = \ cos (\ theta) = \ sin (\ theta)}

βmin=12≈0,707{\ Displaystyle \ beta _ {\ textrm {min}} = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \ aproximadamente 0,707}

Esto corresponde a aproximadamente 212.000  km / s .

En relatividad general

Muchas situaciones predichas por la relatividad general o consistentes con ella ( expansión del Universo , inflación cósmica , agujeros de gusano ,  etc. ) conducen a aparentes superaciones del límite de velocidad.

La noción de velocidad debe adaptarse a cada cuadro: con una inflación del espacio en el tiempo (una expansión del Universo ), hablamos de velocidad de escape .

Suponga que dos hormigas (galaxias) se mueven sobre un globo (espacio en expansión). Las hormigas se mueven entre sí a diez centímetros por segundo. Supongamos que entra un científico y comienza a inflar el globo frenéticamente mientras las hormigas se mueven. Uno podría tener la impresión de que las hormigas se movieron más rápido, o incluso excedieron "el límite de velocidad de las hormigas" (c). Pero en realidad, es el espacio en el que operan lo que ha cambiado. Este es el caso de las galaxias muy distantes. Vea, por ejemplo, el artículo de Hubble Volume .

Además, según el modelo teórico del Big Bang , el Universo en sus inicios experimentó una fase llamada "  inflación cósmica  ", durante la cual su velocidad de expansión fue mucho mayor que la velocidad de la luz. Durante un período de entre 10 -35 y 10 -32 segundos, el tamaño del Universo cayó de un tamaño decenas de millones de miles de millones de veces más pequeño que el de un átomo, al tamaño de un cúmulo de galaxias. Este episodio extremo muestra claramente que la relatividad no pone límite a la velocidad de expansión del espacio en sí, sino solo a la velocidad instantánea en este espacio.

Según este principio, algunos modelos sugieren que sería posible mover un objeto a una velocidad mayor que la de la luz, al menos en apariencia, creando localmente una burbuja de deformación espacio-temporal a su alrededor. Hasta la fecha, sin embargo, es solo una construcción matemática pura, ningún método conocido y practicable que permita obtener tal deformación para propulsar una nave espacial. Una vez más, el cruce del límite de velocidad solo sería aparente porque localmente, en una distancia infinitesimal, la velocidad instantánea permanecería mucho más baja que la velocidad de la luz.

En mecánica cuántica

En mecánica cuántica , hay una colección de efectos que exploran los límites de la noción de límite de velocidad insuperable.

Las experiencias asociadas con estos efectos son más sutiles de interpretar.

Dicho esto, demostramos (y verificamos) que si ciertos fenómenos dan la impresión de implicar una propagación instantánea, o incluso retroceder en el tiempo, ninguno de estos fenómenos posibilita el transporte de energía o información.

Efecto Hartman

Un fotón o un electrón que atraviesa por túnel una barrera cuántica puede manifestar un retraso de cruce más corto que el de la luz para una distancia equivalente, esta vez se evalúa mediante la observación de la parte superior del paquete de ondas correspondiente, antes y después de la barrera.

Teniendo en cuenta el grosor de la barrera del túnel, la parte superior del paquete de ondas se reduce y parece haber pasado más rápido que la velocidad de la luz.

Este fenómeno se llama efecto Hartman (o efecto Hartman-Fletcher).

Las explicaciones de este fenómeno en el marco de la mecánica cuántica parecen excluir su uso hipotético para el transporte de información o energía superligera.

Paradoja EPR

También podemos citar aquí el espectacular caso del experimento mental de Einstein, Podolsky y Rosen (paradoja EPR) que pudo ser llevado a cabo experimentalmente por primera vez por Alain Aspect en 1981 y 1982. En este caso, la medición de la El estado en uno de los sistemas cuánticos de un par entrelazado requiere que el otro sistema se mida en el estado complementario. Así es también como funciona la teletransportación cuántica .

Entre los avances más espectaculares en este campo desde entonces, podemos citar al equipo austríaco de Rainer Blatt (Universidad de Innsbruck) y al equipo estadounidense de David Wineland ( Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , Boulder, Colorado), quienes afirman que 'ellos Han logrado la teletransportación cuántica de átomos de material completo (los iones de calcio para el primero y berilio para el segundo). Hay muchas aplicaciones en curso en el campo de la computación cuántica relacionadas con la paradoja EPR. El premio “ciencia” de la ciudad de Ginebra también fue otorgado en noviembre de 2006 al profesor Nicolas Gisin por su trabajo sobre este tema (afirma haber “superado” c 10 millones de veces). La causalidad aún se respeta en este sentido, pero el fenómeno podría ser de gran importancia en criptografía .

La experiencia de Marlan Scully

El experimento de Marlan Scully es una variante de la paradoja EPR, según la cual la observación o no de una figura de interferencia después del paso de un fotón a través de una rendija de Young depende de las condiciones de observación de un segundo fotón correlacionado con el primero. La particularité de cette expérience est que l'observation du second photon peut avoir lieu dans un futur lointain par rapport à l'observation du premier photon, ce qui donne l' impression que l'observation du premier photon renseigne sur un évènement qui a lieu En el futuro.

En física de ondas

Lo que se llama propagación supraluminal fue calculado por los físicos Léon Brillouin y Arnold Sommerfeld en las décadas de 1940 y 1950 (la difusión de Brillouin estimulada es el marco para este tipo de investigación).

En ese momento, se consideró que este tipo de fenómeno solo era posible en ambientes de dispersión anormal.

Óptico

Se observaron velocidades de señal superluminal en la década de 1960 , particularmente en amplificadores láser; sin embargo, estaban relacionados con el diferencial de amplificación entre los bordes delantero y trasero de un pulso distorsionador y, por tanto, eran difíciles de relacionar con la intuición común del concepto de velocidad.

Esto, por otro lado, puede aplicarse fácilmente a estructuras indeformables como los solitones de Brillouin , cuya propagación de supraluminio en un régimen fuertemente no lineal se predijo y observó en Niza en 1991.

Electrocinético

El mismo tipo de consideración de la física de ondas logra una velocidad del grupo de luz superior a la de una corriente eléctrica en un cable coaxial . Alain Haché , de la Université de Moncton , autor del experimento, explica que ninguna información se puede transmitir más rápido que en la medida en que sea necesario que la parte de la señal que precede al máximo (para el que se calcula el máximo. Velocidad de grupo ) ya ha pasado por el medio en el que se produce el desplazamiento superlumínico antes de que el máximo entre en él. Sin embargo, el movimiento de esta parte avanzada de la señal no se realiza a una velocidad superluminal sino a una velocidad mucho menor. vs{\ Displaystyle c}

En total, el tiempo que tarda toda la señal (cola y pico incluidos), que es el tiempo a considerar para transmitir información, para recorrer la distancia deseada, es mayor que el que da la luz.

Aplicaciones computacionales

Asimismo, el equipo de Luc Thévenaz pudo emitir paquetes de ondas cuya parte superior se movía a velocidad superligera en una fibra óptica .

Pero como acabamos de ver, la información no se puede transmitir más rápido que c para todo eso.

Por otro lado, estos fenómenos podrían utilizarse para transmitir información a una velocidad muy cercana a c , siendo la velocidad actual más bien 2 ⁄ 3  c .

Desbordes ilusorios

Los investigadores en matemáticas aplicadas ampliaron la teoría especial de la relatividad de Einstein para trabajar más allá de la velocidad de la luz.

Muchos "  experimentos mentales  " (algunos de los cuales se han hecho físicamente posibles) aparentemente permiten exceder la velocidad de la luz. Así, la sombra de un caminante en una pared puede alargarse fácilmente a una velocidad mayor que la de la luz (e incluso tender hacia el infinito); Asimismo, la mancha luminosa enviada a la Luna por un proyector (un láser potente, si se va a realizar el experimento) que gira a una revolución por segundo se moverá a una "velocidad" de 7 veces la velocidad límite. Pero las "velocidades" así determinadas son ilusorias: ningún objeto, ninguna energía y ninguna información se mueve realmente.

Por otro lado, los experimentos mentales (impracticables en la práctica, esta vez) muestran con bastante facilidad que la relatividad especial tiene como consecuencia que el control de objetos que superen el límite de velocidad (por ejemplo, un hipotético emisor de taquiones ) permitiría violar la causalidad. . De hecho, a partir de un dispositivo que puede enviar información más rápido que la luz, es - de acuerdo con las leyes de la relatividad especial - teóricamente posible construir un dispositivo para enviar información en el pasado, lo cual es difícil de imaginar. Ésta es la razón por la que la comunidad científica se resiste a aceptar la existencia de tales objetos.

Notas y referencias

Notas

1. La velocidad de fase "no coincide con la propagación física real de nada", en palabras de Lev Landau .

Referencias

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Apéndices

Bibliografía

• Jean-Marc Lévy-Leblond , La velocidad de las sombras: En los límites de la ciencia , Colección: Open Science, Seuil (2006)

Artículos relacionados

• Tiempo espacial
• Hiperespacio (transporte)
• Leon Brillouin
• Mecánica cuántica
• Métrica de Alcubierre
• Microcuásar
• Ni Guang-Jiong
• Teoría de la relatividad
• Agujero de gusano
• Velocidad de la luz
• Límite de velocidad
• Velocidad relativista
• Velocidad superluminal en ciencia ficción
• Viaje en el tiempo

enlaces externos

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