por Ethan Siegel 
16 Octubre 2018

del Sitio Web Medium

traducción de Adela Kaufmann
Versión original en ingles

 

 

 

 

Todas las partículas sin masa viajan a la velocidad de la luz,

Incluyendo el fotón, el gluón y las ondas gravitacionales.

Los que llevan las interacciones electromagnéticas, fuerte nuclear.

Y gravitacionales, respectivamente.

Las partículas con masa siempre deben viajar a

velocidades por debajo de la velocidad de la luz, y hay un

recorte aún más restrictivo en nuestro Universo.

(NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet)

 

 

 

Nada puede ir más rápido

que la velocidad de la luz en el vacío.

Pero las partículas en nuestro universo

ni siquiera pueden ir tan rápido.

 

 

 

Cuando se trata de límites de velocidad, la máxima establecida por las leyes de la física es la velocidad de la luz.

 

Como Albert Einstein se dio cuenta por primera vez, todos los que miran un rayo de luz ven que parece moverse a la misma velocidad, sin importar si se está moviendo hacia ti o alejándote de ti.

 

No importa qué tan rápido viaje o en qué dirección, toda la luz siempre se mueve a la misma velocidad, y esto es cierto para todos los observadores en todo momento.

 

Además, todo lo que está hecho de materia solo puede acercarse, pero nunca alcanzar, la velocidad de la luz. Si no tienes masa, debes moverte a la velocidad de la luz:

Si tienes masa, nunca podrás alcanzarla.

Pero en la práctica, en nuestro Universo, hay un límite de velocidad aún más restrictivo para la materia, y es más bajo que la velocidad de la luz.

 

Aquí está la historia científica del límite de velocidad cósmica real. 

 

 


Luz, en un vacío,

siempre parece moverse a la misma velocidad,

la velocidad de la luz, independientemente de

la velocidad del observador.

(usuario de pixabay Melmak)
 


Cuando los científicos hablan sobre la velocidad de la luz - 299,792,458 m/s - implícitamente queremos decir,

"La velocidad de la luz en un vacío".

Solo en ausencia de partículas, campos o un medio para viajar, podemos lograr esta máxima velocidad cósmica.

 

Incluso así, solo las partículas y ondas sin masa pueden alcanzar esta velocidad. Esto incluye fotones, gluones y ondas gravitacionales, pero no cualquier otra cosa que conozcamos.

Los quarks, los leptones, los neutrinos e incluso la hipótesis de la materia oscura, todos tienen masas como una propiedad inherente a ellos. Los objetos hechos de estas partículas, como los protones, los átomos y los seres humanos, también tienen masa.

 

Como resultado, pueden acercarse, pero nunca alcanzar, la velocidad de la luz en el vacío.

 

No importa cuánta energía pongas en ellos, la velocidad de la luz, incluso en el vacío, será siempre inalcanzable.

 

 


El hiperimpulsor de Star Wars.

parece representar un movimiento ultra-relativista a través del espacio,

muy cerca de la velocidad de la luz.

Pero bajo las leyes de la relatividad, nunca se puede alcanzar,

mucho menos sobrepasar la velocidad de la luz si estás hecho de materia.

(Jedimentat44 / flickr)
 


Pero no hay tal cosa, prácticamente, como un vacío perfecto.

 

Incluso en el abismo más profundo del espacio intergaláctico, hay tres cosas de las que no puedes deshacerte.

  • El WHIM: el medio intergaláctico caliente-caliente

    Este tenue y escaso plasma son las sobras de la red cósmica.

     

    Mientras que la materia se agrupa en estrellas, galaxias y grupos más grandes, una fracción de esa materia permanece en los grandes vacíos del Universo.

     

    La luz de las estrellas lo ioniza, creando un plasma que puede representar aproximadamente el 50% de la materia normal total en el Universo. 

     

     

  • El CMB: el fondo cósmico de microondas.

    Este baño sobrante de fotones se origina en el Big Bang, donde se encontraba en energías extremadamente altas.

     

    Incluso hoy, a temperaturas de solo 2,7 grados por encima del cero absoluto, hay más de 400 fotones CMB por centímetro cúbico de espacio. 

     

     

  • El CNB: el fondo cósmico de los neutrinos.

    El Big Bang, además de los fotones, crea un baño de neutrinos.

Superando en número a los protones en unos mil millones a uno, muchas de estas partículas que ahora se mueven lentamente caen en galaxias y cúmulos, pero muchas también permanecen en el espacio intergaláctico.

 

 

Una vista de longitud de onda múltiple del centro galáctico

muestra estrellas, gas, radiación y agujeros negros, entre otras fuentes.

Pero la luz que viene de todas estas fuentes,

desde rayos gamma hasta luz visible y radio

solo puede indicar que nuestros instrumentos son lo suficientemente sensibles

para detectar desde más de 25,000 años luz de distancia.

(NASA / ESA / SSC / CXC / STScI)
 


Cualquier partícula que viaje a través del Universo encontrará partículas WHIM, neutrinos CNB y fotones CMB.

 

A pesar de que son las cosas de menor energía, los fotones CMB son las partículas más numerosas y uniformemente distribuidas de todas. No importa cómo se genere o cuánta energía tenga, realmente no es posible evitar interactuar con esta radiación de 13.8 mil millones de años. 

Cuando pensamos en las partículas de mayor energía en el Universo, es decir, las que se estarán moviendo más rápido, esperamos que se generen en las condiciones más extremas que ofrece el Universo.

 

Eso significa que creemos que los encontraremos donde las energías son más altas y los campos son más fuertes: cerca de objetos colapsados como estrellas de neutrones y agujeros negros.

 

 


En esta representación artística,

un blazar está acelerando los protones que producen piones,

los cuales producen neutrinos y rayos gamma.

(IceCube / NASA)

 
 

Las estrellas de neutrones y los agujeros negros son los lugares donde no solo se pueden encontrar los campos gravitacionales más fuertes del Universo, sino también, en teoría, los campos electromagnéticos más fuertes.

 

Los campos extremadamente fuertes son generados por partículas cargadas, ya sea en la superficie de una estrella de neutrones o en el disco de acreción alrededor de un agujero negro, que se acercan a la velocidad de la luz.

 

Las partículas cargadas en movimiento generan campos magnéticos y, a medida que las partículas se mueven a través de estos campos, se aceleran. 

Esta aceleración provoca no solo la emisión de luz de una gran cantidad de longitudes de onda, desde rayos X hasta ondas de radio, sino también las partículas más rápidas y de mayor energía jamás vista:

los rayos cósmicos.

 


Impresión artística del núcleo galáctico activo.

El agujero negro supermasivo en el centro del disco de acreción,

envía un chorro estrecho de alta energía de

materia al espacio, perpendicular al disco.

Un blazar a unos 4 billones de años luz , y es siempre

el origen de muchos de los rayos cósmicos de más alta energía.

y los neutrinos.

(DESY, Science Communication Lab)
 


Mientras que el 
Gran Colisionador de Hadrones acelera las partículas aquí en la Tierra hasta una velocidad máxima de 299,792,455 m / s, o 99.99999999% de la velocidad de la luz, los rayos cósmicos pueden romper esa barrera.

 

Los rayos cósmicos de mayor energía tienen aproximadamente 36 millones de veces la energía de los protones más rápidos jamás creados en el Gran Colisionador de Hadrones.

 

Asumiendo que estos rayos cósmicos también están hechos de protones, se obtiene una velocidad de 299,792,457.99999999999992 m / s, que es extremadamente cercana, pero aún inferior, a la velocidad de la luz en el vacío.

Hay una muy buena razón por la que, cuando los recibimos, estos rayos cósmicos no son más energéticos que esto.

 

 


El resplandor sobrante del Big Bang, el CMB,

impregna todo el universo.

A medida que una partícula vuela por el espacio, está constantemente

siendo bombardeada por fotones CMB.

Si las condiciones energéticas son correctas,

incluso la colisión de un fotón de baja energía como

esta tiene la oportunidad de crear nuevas partículas.

(ESA / Planck Collaboration)
 


El problema es que el espacio no es un vacío.

 

En particular, el CMB tendrá sus fotones chocando e interactuando con estas partículas mientras viajan a través del Universo.

 

No importa cuán alta sea la energía de la partícula que has creado, tiene que pasar a través del baño de radiación que queda del Big Bang para llegar a ti. 

 

A pesar de que esta radiación es increíblemente fría, a una temperatura promedio de alrededor de 2.725 Kelvin, la energía media de cada fotón no es despreciable; Es alrededor de 0.00023 electrón-voltios.

 

Aunque es un número pequeño, los rayos cósmicos que lo golpean pueden ser increíblemente energéticos.

 

Cada vez que una partícula cargada de alta energía interactúa con un fotón, tiene la misma posibilidad de que todas las partículas interactivas tengan:

si está permitido energéticamente, por E = mc², entonces existe la posibilidad de que pueda crear una nueva partícula ...!

 


Cuando dos partículas colisionan a energías suficientemente altas,

 tienen la oportunidad de producir pares adicionales de parees de partículas antipartículas,

 o nuevas partículas como lo permiten las leyes de la física cuántica.

E = mc² de Einstein es indiscriminado de esta manera.

(E. Siegel / Más allá de la galaxia)
 


Si alguna vez creas una partícula con energías superiores a 5×1019 eV, solo podrán viajar unos millones de años luz, como máximo, antes de que uno de estos fotones, que queda del Big Bang, interactúe con él.

 

Cuando se produzca esa interacción, habrá suficiente energía para producir un pión neutral, que roba energía del rayo cósmico original.


Cuanto más energética sea tu partícula, más probabilidades tienes de producir piones, lo que continuarás haciendo hasta que caigas por debajo de este límite teórico de energía cósmica, conocido como el 
límite GZK, llamado así por tres físicos:

  • Greisen

  • Zatsepin

  • Kuzmin

Hay aún más radiación de frenado (Bremsstrahlung) que surge de las interacciones con cualquier partícula en el medio interestelar / intergaláctico.

 

Incluso las partículas de menor energía están sujetas a él, e irradian energía en cantidades a medida que se producen pares de electrones / positrones (y otras partículas).

 

 


Rayos cósmicos

producidos por fuentes astrofísicas de alta energía

pueden alcanzar la superficie de la tierra.

Cuando un rayo cósmico choca

con una partícula en la atmósfera terrestre,

 produce una lluvia de partículas que podemos detectar

con matrices en el suelo.

Si estas partículas se crean más allá del grupo local,

deben obedecer al límite GZK.

(Colaboración ASPERA / AStroParticle ERAnet)
 


Creemos que cada partícula cargada en el cosmos (cada rayo cósmico, cada protón, cada núcleo atómico) debería estar limitado por esta velocidad.

 

No solo la velocidad de la luz, sino un poco más baja, gracias al resplandor de las sobras del Big Bang y las partículas en el medio intergaláctico.

 

Si vemos algo que está en una energía más alta, entonces significa:

  1. Las partículas a altas energías podrían estar jugando con reglas diferentes a las que actualmente creemos que hacen.
     

  2. Se están produciendo mucho más cerca de lo que creemos: dentro de nuestro propio Grupo Local o Vía Láctea, en lugar de estos agujeros negros extragalácticos distantes.
     

  3. No son protones en absoluto, sino núcleos compuestos.

Las pocas partículas que hemos visto que rompen la barrera GZK superan con creces los 5×1019 eV, en términos de energía, pero no superan los 3×1021 eV, que sería el valor de energía correspondiente para un núcleo de hierro.

 

Dado que se ha confirmado que muchos de los rayos cósmicos de energía más alta son núcleos pesados, en lugar de protones individuales, esto es la explicación más probable para los rayos cósmicos de extrema ultra-alta energía.

 

Mientras estés hecho de materia, hay un límite de velocidad cósmica que simplemente no puedes superar ... 

 

 


El espectro de los rayos cósmicos.

A medida que vamos hacia energías cada vez más altas,

Cada vez encontramos menos rayos cósmicos.

Esperábamos un corte completo a 5x1019 eV,

pero vea las partículas viniendo con

hasta 10 veces esa energía.

(Hillas 2006 / Universidad de Hamburgo)
 

 
Hay un límite de velocidad para las partículas que viajan a través del Universo, y no es la velocidad de la luz.

 

En su lugar, es un valor que es ligeramente más bajo, dictado por la cantidad de energía en el resplandor sobrante del Big Bang. A medida que el Universo continúa expandiéndose y enfriándose, ese límite de velocidad aumentará lentamente a lo largo de escalas de tiempo cósmicas, acercándose cada vez más a la velocidad de la luz.

 

Pero recuerda, mientras viajas por el Universo, si vas demasiado rápido, incluso la radiación que sobra del Big Bang te puede freír. 

 

Mientras estés hecho de materia, no existe un límite de velocidad cósmico que tú simplemente no puedas superar...