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Los neutrinos y el límite de velocidad de Einstein

La noticia de que unas partículas subatómicas parecen haber superado la velocidad de la luz acaba de sorprender a la comunidad científica y despertó la curiosidad de amplias capas de la sociedad, intrigada por las consecuencias de ese experimento. Aún es muy pronto para asumir como ciertos los datos publicados por los científicos del experimento OPERA, en el que han medido la velocidad de rayos de neutrinos producidos en el CERN, el formidable laboratorio que atesora el más conocido acelerador de partículas activo en la actualidad. Según sus resultados, los neutrinos, unas esquivas y ya famosas partículas subatómicas extremadamente difíciles de detectar, habrían viajado ligerísimamente más rápido que la luz desde el punto de producción (salida) en el CERN en la ciudad suiza de Ginebra hasta el detector (meta), situado en el centro de Italia, ambos separados una distancia de 730 kilómetros. De confirmarse su validez, este resultado podría hacer necesario emprender una revisión profunda de los cimientos de la física fundamental que pondría en tela de juicio las bases de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, una pieza esencial en el desarrollo de esta ciencia desde su formulación en 1905. Sin embargo, la complejidad de este experimento hace imprescindible que los métodos sean cuidadosamente revisados por expertos y los resultados verificados de manera independiente.

 

A finales del siglo diecinueve parecía que la física fundamental había tocado techo. Muchos científicos pensaban que únicamente quedaba trabajar en los detalles, hacer medidas más precisas y buscar alguna explicación a un manojo de fenómenos raros que no se habían entendido bien y podían contarse con los dedos de una mano. Uno de estos experimentos medía la constancia de la velocidad de la luz y sentó las bases empíricas de la teoría de la relatividad especial. Los otros tuvieron que ver con la formulación de la mecánica cuántica, que describe el extraño mundo de las partículas subatómicas y sus interacciones, y que supuso, junto con la relatividad, el desarrollo de la revolución en la física a principios del siglo pasado.

 

Nada de lo que experimentamos en nuestro mundo cotidiano, y en el que Galileo y Newton se inspiraron para establecer las bases de la física, puede ayudarnos a intuir los cambios que la teoría de la relatividad introdujo en nuestra descripción de la naturaleza. Si vamos en un coche a 100km/h y un tren circula a nuestro lado adelantándonos a 120km/h, es indudable que lo vemos pasar muy despacio, con una velocidad relativa a nosotros de tan solo 20km/h. El tren pasa a nuestro lado a la misma velocidad a la que lo veríamos hacer su entrada en la estación si estuviéramos quietos en el andén. Lo razonable, de acuerdo a nuestra intuición, sería esperar que la luz se adaptara a estas mismas reglas que nos permiten sumar y restar velocidades.

 

La teoría electromagnética predice que las ondas de luz tienen siempre la misma velocidad. La interpretación anterior a la teoría de la relatividad de Einstein era que estas ondas de luz eran vibraciones de un fluido muy tenue conocido como éter luminífero, de la misma manera que el sonido es una vibración de las moléculas que componen el aire. Al igual que el sonido, que se propaga a través del aire con una velocidad de 343m/s, se esperaba que la luz se propagase en el éter de la misma manera, pero a una velocidad mucho mayor. Alguien moviéndose con respecto al éter vería la luz a diferente velocidad dependiendo de la dirección, de igual manera dos trenes que circulen a la misma velocidad con respecto a la Tierra pero en direcciones perpendiculares serían vistos a distinta velocidad por un coche en una autopista que discurra paralela a una de las vías.

 

A finales del siglo XIX, los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley decidieron realizar un experimento para medir la velocidad de la luz en distintas direcciones, y así conocer la velocidad de la tierra con respecto al éter luminífero. En 1887 publicaron los resultados de su experimento, que empleando espejos les permitía comparar la velocidad de la luz en la dirección del movimiento de la Tierra y la dirección perpendicular. Repitieron el experimento en distintos momentos del año, por si en un momento dado daba la casualidad de que la Tierra estaba quieta con respecto al éter, pero encontraron que la velocidad de la luz era la misma en cualquier dirección: c = 299792458 m/s.

 

Durante décadas muchos físicos teóricos se esforzaron sin resultado para intentar hallar explicación a esta contradicción, a menudo diseñando rebuscadas teorías sobre el éter luminífero. En esa época Albert Einstein había terminado los estudios y trabajaba en una oficina de patentes al no haber conseguido un puesto como investigador en la universidad. Fue él en sus ratos libres quien encontró la solución al rompecabezas: todas las ondas de luz se propagaban a la misma velocidad, y además lo hacían a la misma velocidad para todos los observadores, en flagrante contradicción con nuestra intuición sobre la adición de velocidades.

 

La idea de la constancia de la velocidad de la luz resulta un hecho inquietante. Imaginemos que nos encontramos a bordo de una nave espacial y en un punto del viaje nos encontramos a otra nave con intenciones hostiles. Viramos rápidamente para alejarnos de la nave y empleamos los propulsores para situarnos (instantáneamente) a velocidad máxima antes de que nos disparen, pero tenemos la mala suerte de en lugar de proyectiles normales la nave nos dispara con un láser. Como el láser está formado por luz y su velocidad es constante para todos los observadores, el rayo nos alcanzará independientemente de la potencia de nuestra nave, y si no lo esquivamos tardará el mismo tiempo en alcanzarnos independientemente de la velocidad a la que huyamos, que únicamente dependerá de nuestra distancia inicial con respecto a la nave enemiga. Por ejemplo, si al efectuarse el disparo estamos a 10 segundos luz (tres millones de kilómetros), el láser nos alcanzará en diez segundos

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