De entre todas las reglas que rigen el universo, una de las más icónicas y a la vez difíciles de comprender es el límite de velocidad universal. La velocidad de la luz no solo es una constante inquebrantable: es el nexo entre la materia y la energía, como describió elegantemente Albert Einstein con la fórmula más famosa de la ciencia: E=mc². Podemos asomarnos a los cimientos de nuestra propia existencia, pero no viajar a más de «c». Solo la luz puede recorrer un año luz en un año.
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Definamos constantes: la velocidad de la luz
La velocidad de la luz es la pieza clave en la ecuación de Einstein. Esa «c» no es solo un número, sino el factor de conversión que une los conceptos de masa (m) y energía (E). Es una constante que representa la velocidad de la luz en el vacío, pero también el límite de velocidad para la propagación de cualquier tipo de información, señal o partícula material en el universo. Si lo piensas muy fuerte, es el límite de la causalidad misma: un efecto no puede ocurrir antes de que su causa, propagándose a la velocidad máxima de «c», pueda alcanzarlo.
Esta velocidad es la misma para cualquier observador en el universo, sin importar su propio estado de movimiento. Si viajas en una hipotética nave espacial al 99% de la velocidad de la luz y enciendes una linterna, la luz de esa linterna se alejará de ti exactamente a la velocidad de la luz, no a una fracción de esta. Es una de las constantes universales de la física. Y las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz remanente del Big Bang, confirman que no ha cambiado de manera medible en más de 13.800 millones de años.
¿A qué velocidad va la luz, entonces? Aunque suene extraño, la velocidad de la luz en el vacío tiene un valor exacto y definido: 299.792.458 metros por segundo. Por ponerlo en cifras más terrenales, equivale a casi mil millones de kilómetros por hora. Un fotón de luz daría la vuelta al ecuador de la Tierra unas 7,5 veces en un solo segundo. Es, según la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, el límite de velocidad definitivo e inquebrantable del universo.
Una epopeya sobre medir lo inmedible
Calcular la velocidad de la luz ha sido una de las grandes sagas de la ciencia. Tras los debates filosóficos de la antigua Grecia y un ingenioso pero fallido intento de Galileo usando lámparas entre colinas distantes, la primera estimación llegó en 1676. Observando los eclipses de Ío, una de las lunas de Júpiter, el astrónomo danés Ole Rømer notó que tenían una duración distinta según la época del año. Dedujo que se debía al tiempo adicional que tardaba la luz en cruzar la órbita de la Tierra cuando nuestro planeta se alejaba de Júpiter. Rømer estimó la velocidad de la luz en 220.000 km/s, una cifra asombrosamente cercana para la época.
Medio siglo después, en 1728, el físico inglés James Bradley refinó esta medida usando un método diferente: la aberración de la luz estelar. Observó que la posición aparente de las estrellas cambiaba ligeramente debido a la velocidad de la Tierra en su órbita. Algo parecido a cómo la lluvia parece caer en ángulo cuando corremos. A partir de este efecto, calculó una velocidad de 301.000 km/s, un valor con un error de apenas un 1%.
El experimento de Michelson. Imagen | Popular Science (1930)
No fue hasta 1887 que los científicos descubrieron el aspecto más sorprendente de la velocidad de la luz. Albert Michelson y Edward Morley intentaban detectar el «éter luminífero», un supuesto medio invisible que, según la creencia de la época, llenaba el espacio para permitir la propagación de la luz. Con su experimento esperaban medir una diferencia en la velocidad de la luz dependiendo de si se movía a favor o en contra del «viento de éter» creado por el movimiento de la Tierra. Sin embargo, no encontraron ninguna variación en absoluto.
A veces, el progreso científico no proviene de encontrar lo que se busca, sino de aceptar la evidencia que echa por tierra viejas certezas. Así fue como este fracaso se convirtió en uno de los resultados más importantes de la historia de la física. Demostró que la velocidad de la luz era constante independientemente del movimiento del observador, derribando la teoría del éter y sentando las bases empíricas para la revolución que Einstein desataría más tarde.
Qué es un año luz y para qué se usa
Desde 1983, la velocidad de la luz ya no es algo que los científicos intenten medir con una precisión cada vez mayor. Su valor se fijó con tal exactitud que ahora es el propio metro el que se define en función de la luz. Un metro es «la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos».
Este cambio esconde una verdad profunda: la constancia de la velocidad de la luz es una propiedad más fundamental de nuestro universo que nuestras propias unidades de medida. Ya no usamos metros para medir la velocidad de la luz, usamos la velocidad de la luz para definir el metro. Y así es como nace una de las unidades de medida más grandes que utilizamos, y que ha sido crucial para comprender las inmensas escalas del universo.
A pesar de que su nombre incluya la palabra «año», un año luz no es una medida de tiempo, sino de distancia. En pocas palabras, un año luz es la distancia que un rayo de luz recorre en el vacío durante el transcurso de un año terrestre. Es decir, en 365 días. Dada la increíble velocidad a la que viaja la luz, se trata de una distancia astronómica, de aproximadamente 9,5 billones de kilómetros.
Utilizamos los años luz porque las distancias en el espacio son tan enormes que medirlas en kilómetros resultaría totalmente impráctico. Por ejemplo, el exoplaneta más cercano a la Tierra, Próxima Centauri b, se encuentra a unos 4,2 años luz de distancia. En kilómetros, esa cifra sería de casi 40 billones, un número mucho más difícil de manejar y contextualizar.
Cómo se calcula un año luz en kilómetros
Un láser señala el centro de la galaxia desde el telescopio VLT. Imagen | ESO
Vamos por partes. Si la velocidad de la luz es una constante universal, ¿por qué hay que aclarar que «c» es la velocidad de la luz en el vacío? Porque, en realidad, una cosa no quita la otra. La luz va más despacio al atravesar materiales como el agua (225.000 km/s) o el vidrio (200.000 km/s). Esto no es una contradicción, sino el resultado de la interacción de la luz con la materia.
La luz está compuesta por partículas sin masa llamadas fotones. Individualmente, los fotones siempre viajan a 299.792 km/s. Sin embargo, cuando un haz de luz atraviesa un medio material, sus fotones son continuamente absorbidos y reemitidos por los átomos de dicho material. Cada una de estas interacciones introduce un minúsculo retraso. La suma de miles de millones de retrasos hace que la velocidad efectiva de la onda de luz en su conjunto sea menor que c.
La luz es también una onda electromagnética. Al entrar en un medio, su campo eléctrico hace que los electrones de los átomos oscilen. Estos electrones oscilantes generan, a su vez, sus propias ondas electromagnéticas. La onda original y las ondas generadas por los electrones interfieren entre sí, formando una onda combinada que se propaga más lentamente. Pero la luz viaja a una velocidad constante: su ralentización es un efecto de atravesar un campo de átomos.
Dicho esto, el vacío del espacio no es un vacío perfecto. Hay electrones y protones libres en forma de plasma; hay átomos y moléculas dispersas, principalmente de hidrógeno y helio; hay polvo interestelar, y también están la radiación de fondo y los campos magnéticos. Pero su densidad es bajísima, lo que significa que la luz viaja por el espacio a una velocidad muy, muy cercana a c. De modo que el año luz se calcula tomando como referencia el vacío ideal.
Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año. Si algo nos quedó claro en la secundaria es que distancia = velocidad × tiempo. Por lo tanto, la distancia equivalente a un año luz se calcula multiplicando la velocidad de la luz por el tiempo que dura un año terrestre:
En números redondos, la luz se mueve a 300.000 km/s y un año tiene 365 días. 365 días × 24 horas × 3600 segundos son 31,6 millones de segundos. 300.000 km/s por 31.600.000 segundos da como resultado una distancia de unos 9,5 billones de kilómetros.
Tomando la velocidad exacta de la luz (299.792,458 km/s) y teniendo en cuenta los años bisiestos (365,25 días), el resultado sería de 9.460.730.472.581 km.
Cuánto es un año luz en términos terrenales
El año luz mide distancias tan grandes que escapan de nuestro imaginario. La luz tarda unos ocho minutos en cubrir la distancia del Sol a la Tierra. Si en ocho minutos recorre los 150 millones de kilómetros que nos separan del Sol, en una hora recorrería 11 veces la misma distancia; en un día recorrería 24 veces la distancia diaria; y en 365 días, acumulando todos esos trayectos, llegaría a los mencionados 9,5 billones de kilómetros.
Este gigantesco recorrido es lo que llamamos un año luz. No indica tiempo, sino lo lejos que están las cosas en el cosmos. Para medir tiempos en astronomía seguimos usando años, días, segundos, etc., mientras que para distancias muy grandes usamos, por mera conveniencia, años luz o pársecs, otra unidad astronómica.
Solo hay que mirar al cielo nocturno para comprender la inmensidad del cosmos. Las estrellas más brillantes están a decenas de años luz. Con poca contaminación lumínica también podemos ver a simple vista la galaxia de Andrómeda, la más cercana a nuestra Vía Láctea, que está a 2,5 millones de años luz.
La luz que captan nuestros ojos partió de Andrómeda cuando los Australopithecus poblaban la Tierra, sufriendo por entonces múltiples edades de hielo. En cierto sentido, mirar al cielo nocturno es mirar al pasado. Cuanto más lejos miramos, más atrás en el tiempo viajamos. De esta manera hemos podido ver, con nuestros telescopios más potentes, qué ocurrió tras el Big Bang.
Es imposible viajar a la velocidad de la luz
La respuesta a esta pregunta es una de las teorías más famosas de la física: la relatividad especial de Einstein. Y para explicarlo hay que volver a la icónica fórmula E=mc², que conecta la velocidad de la luz con dos conceptos muy diferentes.
Mover un objeto con masa requiere energía. A medida que la masa de un objeto aumenta, también lo hace la energía necesaria para seguir empujándolo. El famoso principio de equivalencia entre masa y energía de Einstein nos dice que la energía y la masa están intrínsecamente ligadas.
Según la relatividad, a medida que un objeto con masa se acelera y se acerca a la velocidad de la luz, su masa relativista aumenta. Para acelerar un objeto con masa infinita, se necesitaría una cantidad infinita de energía, lo cual es, sencillamente, imposible. La velocidad de la luz funciona como el límite de velocidad cósmico definitivo.
¿Por qué? Porque solo las partículas sin masa en reposo, como los fotones, pueden viajar a esta velocidad. Al no tener masa, no se enfrentan a esta barrera de energía y masa infinitas. Para el resto de nosotros, y para cualquier nave espacial que podamos construir, la velocidad de la luz seguirá siendo un horizonte inalcanzable. Nada con masa puede alcanzarla, en realidad. Es el límite de velocidad del universo.
Imagen | Design Bits (Pexels)
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La noticia
Qué es un año luz y por qué es imposible recorrerlo en menos de un año, según la relatividad de Einstein
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Xataka
por
Matías S. Zavia
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