En "Assignment Discovery" de Discovery Channel, aprenda cómo Albert Einstein descubrió que el tiempo es relativo, lo que significa que cuando los objetos viajan a la velocidad de la luz, o cerca de ella, las distancias se alargan y el tiempo se ralentiza. Uno de los principios de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein es que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. La velocidad de la luz se considera el límite de velocidad universal de todo, y esto es ampliamente aceptado por la comunidad científica. Pero en ciencia, si haces una regla estricta, alguien intentará refutarla, o al menos encontrar una escapatoria. Y la velocidad de la luz no es una excepción.
La luz, en el vacío, viaja a aproximadamente 299 792 kilómetros por segundo (186 282 millas por segundo). En septiembre de 2011, los físicos que trabajaban en el Proyecto de Oscilación con Aparato de Seguimiento de Emulsión (OPERA) crearon un frenesí en la comunidad científica cuando anunciaron que sus experimentos dieron como resultado partículas subatómicas llamadas neutrinos que viajaban desde la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) cerca de Ginebra. , Suiza al Laboratorio Nacional Gran Sasso cerca de L'Aquila, Italia y llegando alrededor de 60 nanosegundos antes que un rayo de luz. Abundaban las ideas sobre cómo estos neutrinos podrían haber roto realmente la velocidad de la luz, o sobre qué errores podrían haber causado los resultados imposibles. Finalmente, los problemas del equipo, incluido un cable suelto, se descubrieron como posibles culpables y los resultados se declararon erróneos. Así que no resultó necesario reescribir las teorías de Einstein.
Otros investigadores están tratando de torcer las reglas en lugar de romperlas. De hecho, doblar el espacio-tiempo es una teoría de cómo se pueden alcanzar velocidades superlumínicas, más rápidas que la luz, en los viajes espaciales. La idea es que el espacio-tiempo podría contraerse frente a una nave espacial y expandirse detrás de ella, mientras que la nave permanecería estacionaria en una burbuja de deformación que se movería más rápido que la velocidad de la luz. Este concepto fue modelado originalmente por el físico teórico mexicano Miguel Alcubierre en 1994 como una posibilidad teórica, pero que requeriría una cantidad de energía negativa del tamaño de un universo para impulsar el fenómeno. Más tarde se refinó para requerir una cantidad del tamaño de un planeta y luego nuevamente para necesitar una cantidad del tamaño de la sonda espacial Voyager 1. Desafortunadamente, la energía negativa tendría que provenir de materia exótica que es difícil de conseguir, y actualmente solo estamos al nivel de experimentos de laboratorio en miniatura en motores warp. Las matemáticas detrás de estas teorías se basan en las leyes de la relatividad, por lo que, en teoría, no estaría rompiendo las reglas. La tecnología, si alguna vez existe, también podría usarse para ir más lento que la luz, pero mucho más rápido de lo que podemos ir ahora, lo que podría ser más práctico.
Los viajes espaciales son solo una de las posibles aplicaciones de alcanzar o superar la velocidad de la luz. Algunos científicos están trabajando para hacer lo mismo con el fin de lograr una transferencia de datos mucho más rápida. Siga leyendo para conocer las velocidades de datos actuales y el potencial de información más rápida que la luz.
¿Pueden los datos viajar a la velocidad de la luz?
Actualmente, la mayoría de nuestros datos viajan a través de cables de cobre o cables de fibra óptica. Incluso cuando enviamos datos a través de nuestros teléfonos celulares a través de ondas de radio, que también viajan a la velocidad de la luz, terminan atravesando las redes cableadas de Internet en algún momento. Los dos tipos más comunes de cable de cobre para la transferencia de información a larga distancia son el par trenzado (usado primero para telefonía y luego para acceso telefónico a Internet y DSL) y el cable coaxial (usado inicialmente para televisión por cable, luego para Internet y teléfono). El cable coaxial es el más rápido de los dos. Pero aún más rápido es el cable de fibra óptica. En lugar de usar cobre para conducir datos en forma de señales eléctricas, el cable de fibra óptica mueve datos como pulsos de luz.
La referencia "en el vacío" de la página anterior con respecto a la velocidad de la luz es importante. La luz a través de la fibra óptica no es tan rápida como la luz a través del vacío. La luz, cuando se mueve a través de casi cualquier medio, es más lenta que la constante universal que conocemos como la velocidad de la luz. La diferencia es insignificante a través del aire, pero la luz puede ralentizarse considerablemente a través de otros medios, incluido el vidrio, que constituye el núcleo de la mayoría de los cables de fibra óptica. El índice de refracción de un medio es la velocidad de la luz en el vacío dividida por la velocidad de la luz en el medio. Entonces, si conoce dos de esos números, puede calcular el otro. El índice de refracción del vidrio es de alrededor de 1,5. Si divide la velocidad de la luz (aproximadamente 300 000 kilómetros o 186 411 millas por segundo) por esto, obtiene alrededor de 200 000 kilómetros (124 274 millas) por segundo, que es la velocidad aproximada de la luz a través del vidrio. Algunos cables de fibra óptica están hechos de plástico, que tiene un índice de refracción aún más alto y, por lo tanto, una velocidad más baja.
Parte de la razón de la disminución de la velocidad es la naturaleza dual de la luz. Tiene los atributos de una partícula y una onda. La luz en realidad está formada por partículas llamadas fotones , y no se mueven en línea recta a través del cableado. Cuando los fotones golpean las moléculas de material, rebotan en varias direcciones. La refracción y la absorción de la luz por parte del medio eventualmente conducen a cierta pérdida de energía y datos. Esta es la razón por la que una señal no puede viajar indefinidamente y tiene que ser reforzada periódicamente para cubrir largas distancias. Sin embargo, la desaceleración de la luz no son todas malas noticias. Se agregan algunas impurezas a la fibra óptica para controlar la velocidad y ayudar a canalizar la señal de manera efectiva.
El cable de fibra óptica sigue siendo mucho más rápido que el cable de cobre y no es tan susceptible a las interferencias electromagnéticas. La fibra puede alcanzar velocidades de cientos de Gigabits por segundo, o incluso Terabits. Las conexiones de Internet en el hogar no alcanzan esas velocidades súper altas, al menos en parte porque muchos hogares comparten el cableado en áreas enteras, e incluso las redes que usan fibra óptica generalmente tienen cobre en el último tramo hasta los hogares de las personas. Pero con la fibra funcionando hasta su vecindario u hogar, puede obtener algo en el rango de 50 a 100 Megabits por segundo de transferencia de datos, en comparación con 1 a 6 Megabits por segundo de las líneas DSL promedio y 25 o más Megabits por segundo. del cable Las velocidades de datos reales varían mucho según la ubicación, el proveedor y el plan elegido, por supuesto.
También hay otras cosas que causan la latencia de la señal (retraso), como la comunicación de ida y vuelta requerida cuando accede a una página web o descarga datos (apretón de manos). Su computadora y el servidor que alberga los datos se comunican para asegurarse de que estén sincronizados y la transferencia de datos sea exitosa, lo que provoca un retraso, aunque sea breve y necesario. La distancia que tienen que viajar sus datos también afectará el tiempo que se tarda en llegar allí, y podría haber cuellos de botella adicionales en cualquier hardware y cableado que los datos tengan que atravesar para llegar a su destino. Un sistema es tan rápido como su componente más lento, y cada milisegundo cuenta en los días de comunicación aparentemente (pero no realmente) instantánea.
Ha habido avances recientes en la transferencia de datos a través de cableado de cobre a velocidades cercanas a la fibra óptica mediante la reducción de interferencias y otras técnicas. Y los investigadores también están trabajando en la transmisión de datos a través de la luz a través del aire, por ejemplo, usando bombillas para WiFi o transmitiendo rayos láser de un edificio a otro. Una vez más, la luz a través del aire se mueve cerca de la velocidad de la luz, pero nada de lo que tenemos ahora supera el límite de velocidad. ¿Podemos lograr una transferencia real más rápida que la luz?
Teléfono inalámbrico de Alexander Graham BellEl uso de cable de fibra óptica no fue el primer intento de aprovechar la luz para la transferencia de datos. El mismo Alexander Graham Bell inventó el fotófono, que fue esencialmente el primer teléfono inalámbrico, pero usando luz en lugar de las ondas de radio que usan los teléfonos celulares modernos. Funcionó al proyectar una voz hacia un espejo, lo que hizo que el espejo vibrara. La luz del sol rebotó en el espejo vibratorio hacia un receptor de selenio que la convertía en corriente eléctrica para su transmisión por teléfono (su invento más famoso). Su principal defecto era que se necesitaba luz solar directa, por lo que las nubes u otros objetos podían bloquear la señal. No importa hacer una llamada en medio de la noche. Pero en realidad funcionó y sirvió como predecesor de la fibra óptica.
La posibilidad de transferencia de datos superlumínicos
Este diagrama muestra el proceso de mezcla de cuatro ondas. Los pulsos de semilla de luz láser junto con un haz de bomba se envían a una celda calentada que contiene vapor de rubidio atómico, que amplifica los pulsos de semilla y les permite alcanzar la superluminalidad. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) afirman haber logrado una transferencia de datos cuánticos más rápida que la luz utilizando algo llamado mezcla de cuatro ondas, que por cierto es un fenómeno que se considera una forma de interferencia en las líneas de fibra óptica. El experimento consiste en enviar un pulso inicial corto de 200 nanosegundos a través de vapor de rubidio calentado y al mismo tiempo enviando un segundo haz de bomba a una frecuencia diferente para amplificar el pulso de la semilla. Los fotones de ambos haces interactúan con el vapor de una manera que genera un tercer haz. Aparentemente, los picos tanto del pulso semilla amplificado como del pulso recién generado pueden salir más rápido que un haz de referencia que viaja a la velocidad de la luz en el vacío. Las diferencias de velocidad que informaron fueron de 50 a 90 nanosegundos más rápido que la luz a través del vacío. Incluso proclamaron que podían ajustar la velocidad de los pulsos alterando la potencia y la desafinación de la semilla de entrada.
Otra tecnología de transferencia de datos rápida en proceso es la teletransportación cuántica, que se basa en la existencia de pares entrelazados:dos partículas que están en sintonía entre sí hasta el punto de que si mides una, la otra termina con la misma calidad que encontraste. en el primero, sin importar la distancia entre ellos. Esto también requiere una tercera partícula que contenga los bits reales de datos que está tratando de transferir. Se utiliza un láser para teletransportar una de las partículas enredadas a otro lugar, por así decirlo. En realidad, no está transportando un fotón, sino más bien cambiando un nuevo fotón en una copia del original. El fotón en el par entrelazado se puede comparar con el tercer fotón para encontrar sus similitudes o diferencias, y esa información se puede transmitir a la otra ubicación y se puede usar para compararla con la partícula gemela para obtener los datos. Esto suena como algo que resultaría en una transferencia instantánea, pero ese no es el caso. Los rayos láser solo viajan a la velocidad de la luz. Pero esto tiene aplicaciones potenciales para enviar datos cifrados por satélite y para conectar en red computadoras cuánticas, en caso de que alguna vez las inventemos. Y está más avanzado que cualquier intento de transferencia de datos superlumínicos. Funciona a lo largo de millas en este punto, y los investigadores están tratando de aumentar la distancia de teletransportación.
Actualmente, la respuesta a si la información significativa puede viajar más rápido que la luz es no. Solo estamos al nivel de mover unas pocas partículas cuánticas a velocidades que posiblemente superen la velocidad de la luz, si los datos resultan en experimentos posteriores. Para tener una forma de transferencia de datos aplicable en la práctica, debe poder enviar bits de datos organizados que signifiquen algo, sin corrupción, a otra máquina que pueda interpretarlos. La transmisión más rápida del mundo no significará nada de otra manera. Pero puede estar seguro de que si se rompe la velocidad de la luz, la aplicaremos a nuestras transmisiones de Internet mucho antes que a los viajes interestelares. Nuestra capacidad para ver televisión de la más alta calidad y navegar por la red a las velocidades más rápidas será primordial. Y tal vez para esos propósitos, incluso llegar a una transmisión realmente tan rápida como la luz haría maravillas.
Nota del autor
La física es un tema verdaderamente fascinante, ya que intenta encontrar la respuesta a cómo funciona todo en el universo. Sin el estudio de la física, probablemente no tendríamos muchas comodidades modernas, por ejemplo, aquellas que requieren electricidad o dependen del comportamiento de las ondas de cualquier tipo (como casi todas las formas de comunicación a larga distancia). Ciertamente no estarías leyendo esto ahora mismo. Sin una comprensión de las leyes físicas, levantar un piano sería más difícil, los videojuegos no serían tan divertidos (o no existirían) y los animadores de dibujos animados no sabrían qué leyes romper para hacernos reír. Y ciertamente no nos habríamos aventurado en el espacio, una habilidad que necesitaremos si descubrimos, a través de la astrofísica o de un observador entusiasta, que un asteroide que destruye planetas se dirige hacia nosotros. Además, felicitaciones a las matemáticas por hacer posible el estudio de la física. Continuaré sentándome y cosechando los beneficios que son posibles gracias a todos los matemáticos, físicos e ingenieros que trabajan arduamente en el mundo.