Viajes espaciales a la velocidad de la luz: cuando el cine desafía a la ciencia

Nada puede ir más rápido que la luz. Se trata de una constante física que determina nuestra comprensión del universo desde finales del siglo XX. El estudio de su velocidad se remonta a la Antigüedad y a los primeros experimentos mentales, una evaluación mental de las implicaciones de una hipótesis.

Tras varios siglos de debates, Ole Rømer, un astrónomo danés del siglo XVII, fue el primero en demostrar que la velocidad de la luz es finita, lo que significa que se puede calcular. La velocidad exacta de la luz es de 299 792 458 metros por segundo (300 000 kilómetros por segundo es la norma internacional). Se aplica a cualquier objeto que emita luz: la velocidad de la luz emitida por una estrella y la velocidad de la luz emitida por una bombilla es exactamente la misma.

"La velocidad de la luz es la velocidad máxima que se puede alcanzar en el espacio-tiempo en el que vivimos", explica Marie-Christine Angonin, profesora de la Universidad Pierre y Marie Curie y vicepresidenta del Observatorio de París, en Francia. "La velocidad de la luz es, de hecho, la velocidad de propagación de la energía, sea cual sea esta forma de energía".

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¿Una licencia literárea posible?

Según nuestros conocimientos actuales, ningún objeto puede viajar más rápido que 300 000 kilómetros por segundo. "Para alcanzar esta velocidad máxima, una partícula masiva debe, si seguimos la teoría de la relatividad general, recibir una cantidad infinita de energía. Debe desintegrarse para convertirse en pura energía. Sólo entonces podrá ir a la velocidad de la luz", dice Marie-Christine Angonin.

Pero admitamos, como hacen los autores de ciencia ficción desde hace décadas, que esto podría ser posible. Ignoremos el incalculable número de desafíos materiales que esto representaría y consideremos las dos soluciones imaginadas por la ciencia ficción para viajar a la velocidad de la luz y más allá: el hiperespacio y la distorsión, que se han utilizado en muchas producciones, desde Star Trek hasta La Guerra de las Galaxias, incluyendo el ejemplo más reciente, la última película de Disney Pixar, Lightyear. Al principio de la película, Buzz Lightyear, su superior y una tripulación de más de 1000 científicos y técnicos vuelven a casa tras una misión espacial. A unos 4,2 millones de años luz de la Tierra, el sistema de navegación de su nave les indica que están cerca de un planeta inexplorado y potencialmente rico en recursos. Debido a un error de juicio, dañan gravemente su nave espacial y se encuentran varados en un planeta llamado T'Kani Prime. El equipo de científicos trabaja en el desarrollo de un combustible hiper rápido. Y en cada intento, el personaje de Buzz libra una batalla sin sentido contra el tiempo: los cuatro minutos de su primer vuelo de prueba equivalen a cuatro años en T'Kani Prime, y cada intento consume más tiempo que el anterior.

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El hiperespacio, una justificación narrativa

Para pasar de un mundo a otro con facilidad, los personajes de sagas de ciencia ficción tan diversas como Dune y La Guerra de las Galaxias, viajan a velocidades super lumínicas. Se trata de un proceso narrativo raramente explicado en detalle, para justificar los viajes interestelares o intergalácticos a escalas de tiempo humanas. Se trata de un requisito esencial para construir una historia con la que el lector o el espectador puedan identificarse. Pero los elementos de explicación también deben parecer creíbles.

Los autores tuvieron que encontrar rápidamente teorías que fueran a la vez "científicamente aceptables" y comprensibles para el mayor número de personas, de ahí la falta de detalles. Aunque los medios de viaje interestelar varían de una obra a otra, la mayoría de ellos implican conceptos de las teorías de la relatividad general y especial, como los agujeros de gusano de Wheeler-Misner o el puente de Einstein-Rosen. Un agujero de gusano, tal como lo imaginaron Charles W. Misner y John A. Wheeler, designa las conexiones hipotéticas entre dos regiones distintas del espacio-tiempo. De un lado, una especie de agujero negro, del otro, un agujero blanco. El agujero de gusano formaría así un atajo en el espacio-tiempo.
Para Einstein y su colaborador, el físico Nathan Rosen, el carácter atómico de la materia podía interpretarse, si se impulsaba la solución de Schwarzschild, como la existencia de un puente entre dos hojas del espacio-tiempo. Esta teoría constituye de hecho las primeras especulaciones serias sobre posibles atajos en el espacio-tiempo o pasajes entre universos paralelos.

"La solución de Schwarzschild considera una masa que es esféricamente simétrica, y uno está fuera de esta masa, que puede ser el Sol, la Tierra, un agujero negro... Y hay una distorsión del espacio-tiempo que hace un agujero. Desde el momento en que tenemos un agujero, podemos imaginar que se hace en dos lugares del universo y que hace una curvatura" ilustra Marie-Christine Angonin. El problema es que si la solución de Schwarzschild imagina la existencia de agujeros de gusano, o incluso de espacio-tiempo ya curvado, al entrar en el agujero negro sería muy improbable salir por el agujero blanco. De hecho, caeríamos en un lado o en el otro, como si estuviéramos atrapados en un contenedor.

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"Ahora bien, si añadimos una carga, que generaría energía eléctrica además de la gravitatoria, sortearíamos ese problema y seríamos empujados [al otro lado del agujero de gusano]. Como un gigantesco imán, seríamos atraídos por el polo norte y luego repelidos por el polo sur. Sólo que una vez que hayamos hecho eso, no podremos volver al otro lado". En las narraciones que incluyen un viaje de ida y vuelta, este atajo inicial permitiría ciertamente un viaje rápido de ida, pero nos obligaría a rodear el universo hasta el punto de partida en el camino de vuelta. "Es como si tomaras un atajo para ir a la iglesia, pero para volver a casa tuvieras que dar la vuelta al pueblo" imagen Marie-Christine Angonin.

Para poder viajar en las dos direcciones del agujero de gusano, como en Interstellar, se necesitaría una energía cuya densidad fuera más débil que la del vacío, una masa que pudiera empujarnos hacia un agujero blanco cuando nos acercáramos a él. "Para ello, sería necesario que tuviéramos una masa negativa en alguna parte", señala Marie-Christine Angonin. "Sería la antigravedad, es decir, un lugar desde el que seríamos rechazados en lugar de ser atraídos. La antigravedad está muy presente en la ciencia ficción, pero en la vida cotidiana nunca se ha destacado".
Son nociones difíciles de interpretar por los neófitos, incluso para los aficionados a la ciencia ficción. Por eso se desarrolló la justificación narrativa del hiperespacio. Las naves espaciales pilotadas por los personajes de ficción pasan entre dos extremos de un agujero de gusano a una velocidad superior a la de la luz, lo que justifica un viaje rápido que no retrasa la trama. Nótese que el hiperespacio en la ciencia ficción simplemente toma prestados algunos términos de la ciencia, pero no corresponde a ninguna teoría científica.

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La distorsión y la métrica de Alcubierre

En 1994, el físico mexicano Miguel Alcubierre desarrolló una teoría de viaje superlumínico que no violaría el principio físico de que nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. La métrica de Alcubierre, teóricamente compatible con la teoría de la relatividad especial de Einstein, imagina la posibilidad de doblar el espacio-tiempo. La nave espacial en sí no se mueve más rápido que la luz, pero está atrapada en una "burbuja" que le permite desplazarse del punto A al punto B más rápido de lo que lo haría la luz. Dicha burbuja está formada por la dilatación del espacio detrás de la nave, por un lado, y la contracción del espacio delante de la nave, por otro. Sin embargo, si esta teoría respeta a priori las leyes de la física, para curvar el espacio-tiempo de esta manera para viajar más rápido que la luz se necesita una energía cuya densidad sea inferior a la del vacío. Sin embargo, el principio de la masa negativa, imaginado por Einstein, sigue siendo sólo una hipótesis no verificada y muy difícil de comprobar.

"El problema es que una partícula que va más rápido que la luz seguirá siendo siempre más rápida que la luz, porque para frenarla se necesitaría una energía infinita", dice Marie-Christine Angonin. "Y llevar un objeto masivo a la velocidad de la luz requeriría una cantidad infinita de energía. Y no se trata de un infinito teórico, sino que se ha demostrado experimentalmente. Por eso en un acelerador de partículas no se envían cubos de materia, sino una sola partícula, porque ya se requiere una cantidad colosal de energía para ser simplemente relativista."

La idea de que las burbujas de espacio-tiempo vayan a la velocidad de la luz, o incluso más rápido que la luz, es teóricamente posible. Pero el mayor problema sería meter una nave en una de estas burbujas. "Habría que detener la burbuja, para que fuera más lenta que la velocidad de la luz, y eso, no es posible. Técnicamente, no hay forma física de cruzar la barrera de la velocidad de la luz", sostiene Marie-Christine Angonin.
Pero entonces, si tenemos en cuenta que los motores warp (teorizados por los guionistas de Star Trek) no pueden desarrollarse debido a la necesidad de energía negativa, ¿sólo serán ficticios? No necesariamente. Una reciente investigación realizada por un grupo internacional de científicos sobre otras clases de motores warp fue publicada en 2021 en la revista Classical and Quantum Gravity.

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Los científicos de este grupo, llamado Applied Physics, han estado trabajando en un motor warp teórico que no requiere masa negativa. Para que sea físicamente posible, dicen, la nave espacial tendría que parecerse a un escudo, plano por delante y por detrás. Su demostración, aunque incompleta, tiene el interés de mostrar que, desde un punto de vista matemático, se podría construir un motor warp.

"La métrica de Alcubierre era una idea irreal, completamente imposible de implementar en la física cotidiana por muchas razones. [...] Lo que estos científicos han demostrado es que la métrica de Alcubierre es una solución entre muchas otras, que son más fáciles de implementar, por así decirlo. Es interesante, pero no significa que sea factible", afirma Marie-Christine Angonin. "Si tenemos en cuenta las fluctuaciones del vacío, este tipo de experimentos sólo existirá en una teoría del espacio-tiempo cuántico con energías muy pequeñas y, por tanto, con partículas muy pequeñas".