Puede el universo expandirse más rápido que la velocidad de la luz?
Universo observable. Las galaxias dan paso a la estructura a gran escala y al plasma caliente y denso del Big Bang en las afueras. Crédito de la imagen: Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo) bajo licencia c.c.a.-s.a.-3.0.
Una de las leyes fundamentales más famosas de Einstein es que nada en el Universo puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Si eres una partícula sin masa, debes viajar a esa velocidad, y si tienes una masa distinta de cero, es imposible que alcances esa velocidad, por mucha energía que inyectes. Aún más sorprendente y contraintuitivo es esto: si una partícula que se mueve cerca de la velocidad de la luz dispara a otra partícula que se mueve cerca de la velocidad de la luz, no se mueve a casi el doble de la velocidad de la luz. De hecho, ¡ni siquiera puede alcanzar la velocidad de la luz! Pero estas reglas sólo se aplican, estrictamente, a las partículas que se encuentran en el mismo lugar unas de otras en el espacio-tiempo. En el Universo en expansión -en el espaciotiempo curvo en general- las reglas son muy diferentes. Dependiendo de cómo lo veas, la expansión del propio Universo no está limitada por la velocidad de la luz en absoluto.
¿Cómo es esto posible? Empecemos por la velocidad de la luz, y lo que eso significa.
comedynose (Pete), que ilustra el movimiento rápido y relativista. Imagen recuperada vía https://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553.
No importa dónde estés o qué seas, hay un límite absoluto a la rapidez con la que puedes moverte por el espacio. Podrías pensar que gastando más y más energía, puedes hacer que te muevas más rápido… y aunque esto es cierto, sólo lo es hasta cierto punto. Si te mueves a unos pocos metros por hora, o a unos pocos kilómetros por hora, o incluso a unos pocos kilómetros por segundo, como hace la Tierra en su órbita alrededor del Sol, es probable que ni siquiera notes las barreras que existen para moverse a una velocidad infinita. Pero existen igualmente, aunque sea de forma sutil. Verás, cuanto más rápido te muevas -cuanto mayor sea tu movimiento en el espacio- más lento será tu movimiento en el tiempo. Imagina que estuvieras completamente en reposo en la superficie de la Tierra, y que tuvieras un amigo que empezara contigo, también en reposo, pero que luego despegara en un jet para dar la vuelta al mundo a toda velocidad. Antes de que usted y su amigo partan, ambos sincronizan los relojes, hasta el microsegundo.
Si usted tuviera un reloj lo suficientemente sensible, descubriría que -cuando su amigo completara su viaje y regresara a usted- sus relojes estarían ligeramente desincronizados entre sí. Tu reloj mostraría una hora ligeramente posterior a la de tu amigo, probablemente por sólo decenas de microsegundos, pero lo suficientemente diferente como para que una medición precisa pudiera diferenciarlos.
Y cuanto más rápido vayas, más pronunciada será la diferencia.
Los astronautas de la Estación Espacial Internacional, que giran alrededor de la Tierra en apenas 90 minutos, ven cómo sus relojes se retrasan unos segundos; al volver a la Tierra, la diferencia en la cantidad de tiempo que ha pasado se nota incluso con los relojes convencionales. Lo extraño es que no son sólo los relojes los que funcionan de forma diferente debido a las altas velocidades a las que nos enfrentamos, sino que el propio tiempo transcurre a un ritmo diferente.
El hecho de que los relojes funcionen más lentamente a altas velocidades es sólo un artefacto del fenómeno más amplio de que el tiempo y el espacio están conectados, y que un movimiento más rápido a través del espacio significa un movimiento más lento a través del tiempo. La conexión entre ambos -espacio y tiempo- viene dada por la velocidad de la luz. Cuanto más te acercas a la velocidad de la luz, más se aproxima asintóticamente a cero el paso del tiempo.
Es por ello que un muón, una partícula inestable con una vida media de sólo dos microsegundos, puede crearse en la parte superior de la atmósfera a velocidades muy cercanas a la de la luz, y puede llegar hasta la superficie de la Tierra. Se trata de un viaje de unos 100 km, mientras que si sólo se moviera a 300.000 km/s (la velocidad de la luz) durante 2,2 microsegundos, se desintegraría tras recorrer sólo el 0,6% de la distancia necesaria. La razón por la que un muón puede llegar a la superficie de la Tierra -y si extiendes la mano, aproximadamente un muón pasa a través de ella cada segundo- es por este efecto de la relatividad.
¿Y qué, ahora, del Universo en expansión? Ya sabes que si miras una galaxia, por término medio, cuanto más lejos esté situada esa galaxia de nosotros, más rápido parece que se aleja de nosotros. Las galaxias del cúmulo de Virgo, a unos 50-60 millones de años luz de distancia, se alejan de nosotros a unos 1200 km/s de media; las galaxias del cúmulo de Coma, a unos 330 millones de años luz, parecen alejarse de nosotros a 7000 km/s.
Cuanto más lejos miremos, más rápido parecen alejarse estas galaxias y cúmulos. Por supuesto, hay pequeñas variaciones de unos pocos cientos o incluso miles de km/s debido a los movimientos locales y al efecto de los tirones gravitatorios cercanos, pero en las escalas más grandes -y a las mayores distancias- podemos ver que cuanto más lejos miramos, más rápido se alejan estas galaxias de nosotros. Esta observación, realizada por primera vez por el propio Edwin Hubble en la década de 1920, es la que da lugar a la ley de Hubble, o ley que rige la expansión del Universo. Con las mejores observaciones modernas a nuestra disposición, esta ley se prolonga durante miles de millones de años luz en todas las direcciones.
«Espera», ya te oigo protestar. «¿Qué pasa con la velocidad de la luz?». Efectivamente, ¿qué pasa con la velocidad de la luz? Seguro que esa barrera invisible -la que impide que todas las formas de materia se muevan más allá de una determinada velocidad- entraría en acción, e impediría que las galaxias retrocedieran más allá de un determinado punto, ¿no? El tiempo entraría en asíntota y dejaría de pasar al acercarse a esa velocidad, y tiene prohibido para siempre pasar a una velocidad inferior a cero, de lo contrario estas galaxias estarían retrocediendo en el tiempo, ¿no?
Podría pensarse que sí, pero hemos dejado de lado una pieza importante del rompecabezas. La velocidad de la luz sólo se aplica, como límite, a los objetos que se mueven unos con respecto a otros en el mismo lugar del espacio.
El astronauta Scott Kelly junto a su hermano, el ex astronauta Mark Kelly en el Centro Espacial Johnson. Scott pasó un año en el espacio, a bordo de la ISS, mientras que Mark permaneció en tierra. Crédito de la imagen: NASA / Robert Markowitz.
Cuando su amigo partió en su avión y regresó con su reloj ligeramente retrasado respecto al suyo, fue porque se reencontraron en el mismo lugar. Cuando los astronautas regresaron a la Tierra, habiendo sido su viaje más corto que el tuyo por varios segundos, fue porque acabasteis en el mismo lugar. Incluso el muón, que se movía a una velocidad cercana a la de la luz, viajaba en relación con su marco de referencia aquí en la Tierra, y por eso sus efectos eran observables.
Pero ahí fuera, en el Universo lejano, estas galaxias no se están moviendo en absoluto. Más bien, el espacio entre ellas se está expandiendo, pero las propias galaxias individuales están en cierto modo estacionarias con respecto al espacio mismo.
Puede que no estés seguro de esto como mera predicción teórica, pero hay una prueba que puedes hacer: observando estas galaxias lejanas y midiendo sus corrimientos al rojo y sus distancias, puedes comprobar cómo se mueven a tremendas distancias en comparación con las predicciones que hace la relatividad.
Verás, la relatividad tiene dos formas: la relatividad especial, que existe en un espacio plano y estático y sólo importa el movimiento de los objetos a través del espacio y el tiempo, y la relatividad general, en la que el propio espacio evoluciona y/o se contrae con el tiempo, con la materia y la energía determinando la curvatura del espaciotiempo, y la relatividad especial existiendo encima de ella. He aquí cómo difieren las dos predicciones.
Predicciones de la relatividad especial (punteada) y de la relatividad general (sólida) para las distancias en el Universo en expansión. Definitivamente, sólo las predicciones de GR coinciden con lo que observamos. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons Redshiftimprove.
Muy dramático, ¿verdad? Resulta que nuestras observaciones favorecen definitivamente la interpretación relativista general, y descartan por completo aquella en la que el espacio es estático. Entonces, ¿qué significa esto, cuando ponemos todo junto? ¿Qué significa para nuestro Universo en expansión, incluso cuando añadimos la energía oscura a la mezcla?
Significa que, a medida que pasa el tiempo, la luz emitida por las galaxias lejanas se desplaza en gran medida hacia la parte roja del espectro, dando lugar a un corrimiento al rojo cosmológico. Esto significa que hay algunas partes del Universo que están tan distantes que la luz emitida por ellas nunca podrá llegar hasta nosotros. En la actualidad, ese punto es todo lo que está más allá de unos 46.100 millones de años luz de nosotros, dado que nuestro Universo, según lo mejor que podemos medir, lleva unos 13.800 millones de años desde el Big Bang.
Y significa que cualquier objeto más allá de unos 4,5 Gigaparsecs (o 14 a 15 mil millones de años luz) nunca será alcanzable por nosotros, ni por nada que hagamos, a partir de este punto. Todos esos objetos, que constituyen el 97% del volumen del Universo observable, están actualmente fuera de nuestro alcance. Incluso un fotón, emitido ahora mismo, nunca llegará a ellos, si ese es nuestro destino.
California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University y University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Observatorio de Leiden), R. Mandelbum (Universidad Carnegie Mellon), L. Barrientos (Universidad Católica de Chile) y K. Ng (Universidad de California, Davis).
Así que sí, a medida que pasa el tiempo, todos los objetos que se ven atrapados en la expansión del Universo se acelerarán alejándose de nosotros, cada vez más rápido. Si dejamos pasar el tiempo suficiente, todos ellos acabarán alejándose más rápido que la velocidad de la luz, inalcanzables para nosotros en principio, por muy rápido que sea el cohete que construyamos o por muchas señales que lancemos y por la propia velocidad de la luz. Lo único que podemos hacer al respecto?
Empezar a hacer viajes intergalácticos en cuanto podamos, antes de que sea demasiado tarde. El Universo que tenemos hoy está desapareciendo gracias a la expansión acelerada del espacio. Aunque ningún objeto se desplaza a través del propio tejido del espacio más rápido que la velocidad de la luz, no hay límite de velocidad en la expansión del propio tejido; simplemente hace lo que el Universo le dicta.
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