La velocidad de la luz en el vacio, $c = 299.792.458$ metros por segundo, es el limite de velocidad mas fundamental de la fisica. La relatividad especial de Einstein establecio que ningun objeto con masa puede ser acelerado hasta la velocidad de la luz. Pero la relatividad dice algo mas sutil de lo que la mayoria piensa: no prohibe categoricamente las particulas que siempre fueron superluminicas. La busqueda de tales particulas abarca mas de un siglo.
1. La velocidad de la luz como barrera, no como muro
La relatividad especial divide el universo en tres sectores cinematicos. La materia ordinaria (bradiones) siempre viaja por debajo de $c$. Las particulas sin masa como los fotones (luxones) siempre viajan exactamente a $c$. El tercer sector, ocupado por particulas superluminicas hipoteticas (taquiones), describe entidades que siempre viajan por encima de $c$.
La idea crucial es que la velocidad de la luz funciona como una barrera, no como un muro. Los bradiones no pueden ser empujados a traves de $c$ desde abajo, y los taquiones no pueden ser frenados a traves de $c$ desde arriba. Cada clase esta permanentemente confinada a su propio lado de la division. Las matematicas de la relatividad especial son completamente consistentes dentro de cada sector. Nada en las ecuaciones de la transformacion de Lorentz produce una contradiccion logica cuando se aplica a $v > c$, siempre que la particula nunca haya estado a la velocidad de la luz o por debajo de ella.
2. Propuestas historicas de particulas superluminicas
La idea de que las particulas podrian superar la velocidad de la luz es anterior a Einstein. En 1904, el fisico aleman Arnold Sommerfeld analizo el patron de radiacion electromagnetica de una particula cargada moviendose mas rapido que la luz, descubriendo que produciria un cono de radiacion analogo al estampido sonico de un avion supersonico. Esta radiacion "tipo Cherenkov" para cargas superluminicas era un ejercicio puramente teorico en ese momento.
La base teorica moderna se establecio en 1962 por Olexa-Myron Bilaniuk, V. K. Deshpande y E. C. George Sudarshan en la Universidad de Syracuse. Su articulo "Meta Relativity" demostro que las particulas superluminicas son completamente compatibles con los postulados de la relatividad especial. Mostraron que tales particulas tendrian masa en reposo imaginaria, energia y momento reales, y la propiedad contraintuitiva de acelerarse a medida que pierden energia.
En 1967, Gerald Feinberg en la Universidad de Columbia publico "Possibility of Faster-Than-Light Particles" en la Physical Review, acunando el termino taquion. Feinberg fue mas alla que sus predecesores al intentar construir una teoria cuantica de campos de los taquiones, analizando sus propiedades de emision y absorcion, y proponiendo firmas experimentales que podrian buscarse. Su articulo sigue siendo la referencia fundamental del campo. Para un tratamiento completo de la fisica de los taquiones, consulte nuestra guia completa.
3. Taquiones: el principal candidato a particula superluminica
Los taquiones siguen siendo el unico candidato teoricamente bien definido como particula fundamental superluminica. Sus propiedades estan completamente determinadas por la relatividad especial y la suposicion de masa imaginaria ($m² < 0$):
- Rango de velocidad: Desde justo por encima de $c$ (a alta energia) hasta velocidad infinita (a energia cero). Un taquion nunca puede desacelerar hasta $c$ o por debajo.
- Inversion energia-velocidad: A diferencia de las particulas ordinarias, los taquiones se aceleran al irradiar energia. El estado de menor energia corresponde a velocidad infinita.
- Observables reales: A pesar de la masa imaginaria, la energia, el momento y la velocidad de un taquion son cantidades reales y medibles.
- Radiacion Cherenkov: Un taquion cargado moviendose en el vacio emitiria radiacion Cherenkov electromagnetica, analoga al resplandor azul emitido por particulas que superan la velocidad de la luz en un medio como el agua.
Las busquedas experimentales de taquiones se han centrado en buscar esta radiacion Cherenkov en el vacio y en anomalias en la cinematica de desintegracion de particulas. No se ha logrado ninguna deteccion positiva. Para mas detalles sobre los esfuerzos experimentales, consulte nuestra pagina sobre metodos de deteccion de taquiones.
4. Fenomenos aparentemente superluminicos que no lo son realmente
Varios fenomenos fisicos bien conocidos parecen involucrar propagacion superluminica pero, tras un analisis cuidadoso, no transmiten informacion a velocidad superluminica. Comprender estos casos es esencial para distinguir la velocidad superluminica genuina de la ilusion.
Velocidad de fase y velocidad de grupo
La velocidad de fase de una onda monocromatica (la velocidad a la que se mueve una cresta) puede superar $c$ en muchos medios. En la propagacion de rayos X a traves del vidrio, la velocidad de fase es superluminica. De manera similar, la velocidad de grupo de un paquete de ondas puede superar $c$ en regiones de dispersion anomala, como demostro Lijun Wang en Princeton en 2000, que envio un pulso de luz a traves de gas de cesio a una velocidad de grupo de $-c/310$ (lo que significa que el pico salio antes de entrar). Ni la velocidad de fase ni la velocidad de grupo transportan informacion. La velocidad de senal, definida por el frente de onda, permanece igual o inferior a $c$.
Efecto tunel cuantico
Cuando una particula atraviesa una barrera de potencial por efecto tunel, el tiempo de travesia puede ser extremadamente corto, dando lugar a una velocidad de cruce aparentemente superluminica. Gunter Nimtz, de la Universidad de Colonia, afirmo en los anos 1990 haber transmitido la Sinfonia n.o 40 de Mozart a 4,7 veces $c$ a traves de una guia de ondas de microondas por debajo del corte. Sin embargo, el consenso es que el efecto tunel implica una remodelacion del paquete de ondas en lugar de una propagacion genuinamente superluminica de la senal. El borde delantero del paquete de ondas, que transporta la informacion, nunca es verdaderamente superluminico.
Expansion del universo
Las galaxias lejanas se alejan de nosotros a velocidades que superan $c$ debido a la expansion del propio espacio. Las galaxias mas alla de la esfera de Hubble tienen velocidades de recesion superiores a $c$, y podemos observar algunas de ellas porque su luz fue emitida cuando estaban mas cerca. Esto no viola la relatividad especial porque el limite de velocidad se aplica a objetos moviendose a traves del espacio, no a la expansion de la metrica espacial misma. No se transmite informacion mas rapido que la luz.
Entrelazamiento cuantico
Medir una particula entrelazada determina instantaneamente el estado de su pareja, sin importar la distancia. Einstein llamo a esto "accion fantasmagorica a distancia". Sin embargo, el teorema de no comunicacion demuestra rigurosamente que el entrelazamiento no puede usarse para transmitir informacion. Los resultados de las mediciones parecen aleatorios para cada observador individualmente; las correlaciones solo se hacen evidentes cuando los observadores comparan sus notas a traves de un canal clasico (subluminico).
5. El efecto Scharnhorst
Una de las predicciones teoricas mas intrigantes de propagacion genuinamente superluminica proviene de Klaus Scharnhorst y Gabriel Barton. En 1990, calcularon que los fotones que viajan entre dos placas de Casimir (superficies conductoras cercanas que suprimen las fluctuaciones cuanticas del vacio) deberian viajar ligeramente mas rapido que $c$. El vacio suprimido reduce la "resistencia" efectiva sobre los pares virtuales electron-positron que aparecen brevemente durante la propagacion del foton.
El aumento de velocidad predicho es extraordinariamente pequeno: aproximadamente una parte en $10^36$ para placas separadas por un micrometro. Esto esta muy por encima de la capacidad de medicion actual. No obstante, representa un caso en el que la electrodinamica cuantica estandar predice $v > c$ para fotones en un vacio modificado. Para un tratamiento detallado, consulte nuestra pagina sobre el efecto Casimir y la fisica taquionica.
6. El incidente OPERA
En septiembre de 2011, el experimento OPERA en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso en Italia informo que los neutrinos muonicos enviados desde el CERN (a 730 km de distancia) llegaron 60,7 nanosegundos antes de lo esperado para un viaje a la velocidad de la luz. De ser correcto, habria constituido la primera observacion directa de particulas superluminicas.
El anuncio genero una enorme atencion cientifica y mediatica. Miles de articulos teoricos intentaron explicar o acomodar el resultado. Sin embargo, la colaboracion OPERA identifico dos problemas en el equipo en febrero de 2012: una conexion defectuosa de fibra optica en el sistema de sincronizacion GPS (que hacia que los neutrinos parecieran llegar antes) y un oscilador de reloj funcionando ligeramente demasiado rapido. Una vez corregido, el tiempo de viaje de los neutrinos fue consistente con la velocidad de la luz.
Lecciones de OPERA
El episodio OPERA demostro tanto el rigor como la naturaleza autocorrectiva de la fisica. La colaboracion fue transparente sobre su resultado anomalo, invito al escrutinio y finalmente identifico el error sistematico. Cuatro experimentos independientes (ICARUS, LVD, Borexino y la propia OPERA tras las reparaciones) confirmaron posteriormente que los neutrinos viajan a una velocidad consistente con $c$ dentro de la precision experimental.
7. Por que las particulas superluminicas rompirian la causalidad
La objecion mas profunda a las particulas superluminicas no es la energia o el momento, sino la causalidad. En la relatividad especial, si una senal puede viajar mas rapido que la luz en un marco de referencia, entonces existen otros marcos de referencia (relacionados por una transformacion de Lorentz estandar) en los que esa senal viaja hacia atras en el tiempo. Si dos de estas senales pueden intercambiarse entre dos observadores en movimiento relativo, se crea un bucle causal cerrado: un mensaje puede enviarse al propio pasado del remitente.
Esta construccion, descrita por primera vez por Albert Einstein y formalizada posteriormente como el antitelefono taquionico, permitiria paradojas genuinas de viaje en el tiempo. En principio, se podria enviar un mensaje a uno mismo antes de haber decidido enviarlo, creando una contradiccion logica.
Las resoluciones propuestas incluyen el principio de reinterpretacion (originalmente de Bilaniuk, Sudarshan y Feinberg), que reinterpreta un taquion de energia negativa viajando hacia atras en el tiempo como un taquion de energia positiva viajando hacia adelante en el tiempo en la direccion opuesta. Si esto resuelve completamente la paradoja sigue siendo debatido. Algunos fisicos argumentan que una teoria cuantica de campos consistente de taquiones requeriria abandonar por completo el principio de causalidad invariante de Lorentz.
8. Estado actual de la busqueda
A mediados de la decada de 2020, ninguna particula superluminica ha sido detectada experimentalmente. Las restricciones son contundentes:
- Mediciones de velocidad de neutrinos: Los experimentos posteriores a OPERA han confirmado que los neutrinos viajan a $c$ con una precision de unas pocas partes por millon. La observacion multimensajero de 2017 de la fusion de estrellas de neutrones GW170817 restringio la velocidad de las ondas gravitacionales respecto a la luz a una parte en $10^15$.
- Busquedas de Cherenkov en el vacio: Las observaciones de rayos cosmicos de alta energia imponen limites estrictos a la existencia de taquiones cargados. Si existieran con un acoplamiento apreciable al campo electromagnetico, su radiacion Cherenkov habria sido detectada.
- Experimentos en colisionadores: No se han observado firmas anomalas de energia faltante consistentes con la produccion de taquiones en el LHC o en colisionadores anteriores.
- Campos taquionicos en la teoria: Aunque los campos taquionicos ($m² < 0$) son esenciales en el Modelo Estandar (el campo de Higgs antes de la ruptura de simetria) y en la teoria de cuerdas (taquiones de cuerda abierta en branas inestables), describen inestabilidades del vacio, no particulas superluminicas detectables.
El panorama teorico ha cambiado. La mayoria de los fisicos ahora consideran los campos taquionicos no como fuentes de particulas superluminicas literales, sino como senales de inestabilidad del vacio que se resuelven mediante condensacion. Sin embargo, la pregunta de si el tercer sector cinematico de la relatividad especial se realiza fisicamente permanece abierta. Las particulas superluminicas no estan logicamente prohibidas, y la ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia. La busqueda continua a traves de experimentos de precision con neutrinos, observatorios de rayos cosmicos y trabajo teorico sobre la violacion de la invariancia de Lorentz.