Resuelven el gran problema de la velocidad de la luz que Einstein no supo solucionar

Poco después de formular su famosa teoría de la relatividad, Albert Einstein se topó con una paradoja totalmente incomprensible durante un experimento mental aparentemente simple: si un espejo se mueve a la velocidad de la luz, qué le pasaría a la luz al reflejarse en él. Según sus cálculos mostraban un resultado imposible que iba directamente contra su nueva teoría: la luz adquiriría una intensidad infinita, observó. Pero Einstein estaba equivocado, como afirman dos físicos que dicen haber resuelto este rompecabezas centenario del genio alemán.

La explicación de los cálculos de Einstein está en la naturaleza dual de la luz. Ésta se comporta como una partícula (un fotón) y una onda a la vez. Cuando la luz se refleja en un espejo ésta cambia de dirección y el cambio afecta a sus propiedades. Según la teoría de la relatividad de Einstein, el movimiento relativo entre un observador y una fuente de luz altera las propiedades observadas de la luz, algo que se conoce como el efecto Doppler: la luz se hace más azul a frecuencias más altas (‘blueshift’) cuando se mueve hacia un observador y más roja a frecuencias más bajas (‘redshift’) cuando se aleja del observador.

TE PUEDE INTERESAR

Un nuevo titanio forjado con láser va mucho más allá de lo que permite la naturaleza

Omar Kardoudi

Así, en su paradoja, a medida que el espejo se mueve hacia la luz a la velocidad de la luz, la luz reflejada sufriría un incremento extremo de su frecuencia. Y, como la energía de un fotón es directamente proporcional a su frecuencia, la intensidad de la luz reflejada se volvería extremadamente alta, alcanzando potencialmente niveles infinitos.

Pero, y aquí está la contradicción, según la relatividad especial, todo los objetos (incluidos los espejos) no pueden alcanzar la velocidad de la luz si tienen masa. Si alcanzara la velocidad de la luz, decía Einstein, los efectos relativistas harían que el espejo tuviera propiedades diferentes, requiriendo además una energía infinita para mantener esta velocidad. El resultado es que, si pudiera viajar a la velocidad de la luz, un espejo no reflejaría la luz en absoluto.

La solución está en el propio espejo

Ahora, los físicos Sergei Bulanov y Timur Esirkepov han solucionado el puzzle después de décadas de trabajo. Primero, observaron que el concepto de espejo de Einstein es una representación idealizada y bidimensional que no se sostiene en condiciones más realistas. Un espejo de cristal típico viajando a la velocidad de la luz es una imposibilidad física debido al requisito de energía infinita. Pero Bulanov y Esirkepov cambiaron su enfoque para ver si la paradoja de Einstein seguía funcionando con una alternativa científicamente más plausible: espejos compuestos de plasma.

Los espejos de plasma no tienen nada que ver con los convencionales. Primero, son dinámicos, creados a partir de un estado de la materia conocido como plasma, básicamente una sopa de iones y electrones. En los experimentos de física de alta energía, los láseres potentes generan plasmas cuando golpean ciertos materiales. Estos plasmas pueden crear perturbaciones que imitan el comportamiento de los espejos, reflejando la luz a velocidades cercanas a la luz.

Pero estos espejos de plasma no son ideales y bidimensionales, sino tridimensionales. Esta dimensión adicional significa que hay más en el espejo que sólo su superficie reflectante, una profundidad que altera la interacción entre la luz y el espejo, lo que les lleva a varios resultados posibles.

Bulanov y Esirkepov encontraron que la interacción entre la luz y un espejo de plasma 3D podría conducir a diferentes escenarios. A veces, la luz se refleja intensamente, haciéndose eco de la predicción inicial de Einstein. Otras veces, la luz puede transmitirse a través del espejo, o incluso formar una onda estacionaria, oscilando cerca del espejo sin progresar más allá.

Potencial gran avance para la física y la tecnología

Este nuevo avance teórico abre nuevas vías en la física, afirman, sobre todo con los experimentos con rayos láser de alta energía. Según Brendan Dromey, profesor de la Queen's University en Belfast, su hallazgo se puede aplicar en las instalaciones industriales de rayos láser como el reactor de fusión norteamericano y otros laboratorios que cuentan con esta potencia.

Pero más allá de resolver una paradoja teórica y aplicaciones industriales, si los espejos de plasma pueden reflejar una luz extremadamente intensa, esto podría revolucionar las tecnologías de imagen, lo que podría conducir a avances de visualización médica que superan la capacidad de los rayos X.

Además, dicen, las interacciones de luz tan intensas podrían facilitar una mejor comprensión de la física fundamental, sobre todo para observar lo imposible, como la creación de pares de partículas y antipartículas en lo que parece ser un espacio vacío.

Bulanov y Esirkepov quieren ahora probar su teoría experimentalmente en una instalación láser de alta potencia. Su trabajo, dicen, puede avanzar radicalmente los límites de nuestra comprensión de la luz, la materia y las leyes fundamentales que gobiernan el universo.