Para un científico que trabaja con cohetes, la barrera de la luz no es todavía un gran problema, ya que los cohetes apenas pueden viajar a más de algunas decenas de miles de kilómetros por hora. Pero en un siglo o dos, cuando los científicos contemplen seriamente la posibilidad de enviar sondas a la estrella más próxima (situada a más de 4 años luz de la Tierra), la barrera de la luz podría llegar a ser un problema.
Durante décadas los físicos han tratado de encontrar escapatorias al lema de Einstein. Se han encontrado algunas vías de escape, pero la mayoría no son muy útiles. Por ejemplo, si se barre el cielo con un haz luminoso, la imagen del haz puede superar la velocidad de la luz. En pocos segundos, la imagen del haz se mueve desde un punto del horizonte al punto opuesto, a una distancia que puede ser de más de centenares de años luz. Pero esto no tiene importancia, porque ninguna información puede transmitirse de este modo más rápida que la luz. La imagen del haz luminoso ha superado la velocidad de la luz, pero la imagen no lleva energía ni información.
Del mismo modo, si tenemos unas tijeras, el punto en el que se cruzan las hojas se mueve más rápido cuanto más alejado está del eje. Si imaginamos tijeras de un año luz de longitud, entonces al cerrar las hojas el punto de cruce puede viajar más rápido que la luz. (De nuevo, esto no es importante puesto que el punto de cruce no lleva energía ni información).
Análogamente, como he mencionado en el capítulo 4, el experimento EPR permite enviar información a velocidades mayores que la velocidad de la luz. (Recordemos que en este experimento dos electrones están vibrando al unísono y entonces son enviados en direcciones opuestas. Puesto que estos electrones son coherentes, puede enviarse información de uno a otro a velocidades mayores que la velocidad de la luz, pero esta información es aleatoria y por lo tanto inútil. Por ello, no pueden utilizarse máquinas EPR para enviar sondas a las estrellas lejanas).
Para un físico la vía de escape más importante procedía del propio Einstein, que creó la teoría de la relatividad general en 1915, una teoría que es más poderosa que la teoría de la relatividad especial. Las semillas de la relatividad general fueron plantadas cuando Einstein consideró un tiovivo de niños. Como hemos visto antes, los objetos se contraen cuando se acercan a la velocidad de la luz. Cuanto más rápido se mueve uno, más se comprime. Pero en un disco giratorio, la circunferencia exterior se mueve más rápida que el centro. (De hecho, el centro está casi estacionario). Esto significa que una regla colocada en el borde debe contraerse, mientras que una regla colocada en el centro permanece casi igual, de modo que la superficie del tiovivo ya no es plana sino que está curvada. Así, la aceleración tiene el efecto de curvar el espacio y el tiempo en el tiovivo.
En la teoría de la relatividad general el espacio-tiempo es un tejido que puede estirarse y contraerse. En ciertas circunstancias el tejido puede estirarse más rápido que la velocidad de la luz. Pensemos en el big bang, por ejemplo, cuando el universo nació en una explosión cósmica hace 13.700 millones de años. Se puede calcular que originalmente el universo se expandía más rápido que la velocidad de la luz. (Esta acción no viola la relatividad especial, puesto que era el espacio vacío —el espacio entre estrellas— el que se estaba expandiendo, no las propias estrellas. Expandir el espacio no lleva ninguna información).
El punto importante es que la relatividad especial solo se aplica localmente, es decir, en la inmediata vecindad. En nuestro entorno local (por ejemplo, el sistema solar), la relatividad especial sigue siendo válida, como confirmamos con nuestras sondas espaciales. Pero globalmente (por ejemplo, a escalas cosmológicas que abarcan el universo) debemos utilizar en su lugar la relatividad general. En relatividad general el espacio-tiempo se convierte en un tejido, y este tejido puede estirarse más rápido que la luz. También permite «agujeros en el espacio» en los que se puedan tomar atajos a través del espacio y el tiempo.
Con estas reservas, quizá un modo de viajar más rápido que la luz es invocar la relatividad general. Puede hacerse de dos maneras:
Como dice el físico Matt Visser de la Universidad de Washington: «La comunidad de la relatividad ha empezado a pensar en lo que sería necesario para hacer algo parecido al impulso de deformación o a los agujeros de gusano y sacarlos del campo de la ciencia ficción».
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Sir Martin Rees, astrónomo real de Gran Bretaña, llega a decir: «Agujeros de gusano, dimensiones extra y ordenadores cuánticos abren escenarios especulativos que podrían transformar eventualmente todo nuestro universo en un "cosmos viviente"».
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El mejor ejemplo de estirar el espacio es la propulsión Alcubierre, propuesta por el físico Miguel Alcubierre en 1994, que utiliza la teoría de la gravedad de Einstein. Es muy parecido al sistema de propulsión que se muestra en
Star Trek
. El piloto de una nave estelar semejante estaría sentado dentro de una burbuja (llamada una «burbuja de distorsión») en la que todo parecería normal, incluso cuando la cápsula espacial rompiera la barrera de la luz. De hecho, el piloto pensaría que estaba en reposo. Pero fuera de la burbuja se producirían distorsiones extremas del espacio-tiempo cuando el espacio que hay delante de la burbuja se comprimiera. No habría dilatación temporal, de modo que el tiempo transcurriría normalmente en el interior de la burbuja.
Alcubierre admite que quizá Star Trek haya desempeñado un papel en su forma de llegar a esta solución. «La gente de Star Trek seguía hablando de propulsión por distorsión, la idea de que uno está distorsionando el espacio —dice—. Nosotros ya teníamos una teoría sobre cómo puede distorsionarse el espacio, y esa es la teoría de la relatividad general. Pensé que debería haber una manera de utilizar estos conceptos para ver cómo funcionaría un impulso por distorsión.»
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Esta es probablemente la primera vez que un programa de televisión inspiró una solución a una de las ecuaciones de Einstein.
Alcubierre cree que un viaje en su propuesta nave espacial se parecería a un viaje a bordo del Halcón Milenario en La guerra de las galaxias. «Mi conjetura es que ellos verían probablemente algo muy parecido a esto. Delante de la nave, las estrellas se convertirían en líneas largas, trazos. Detrás no verían nada —solo oscuridad— porque la luz de las estrellas no podría moverse con rapidez suficiente para alcanzarles», dice.
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La clave para la propulsión Alcubierre es la energía necesaria para propulsar la cápsula hacia delante a velocidades mayores que la de la luz. Normalmente los físicos empiezan con una cantidad de energía positiva para propulsar una nave estelar, que siempre viaja más lenta que la luz. Para ir más allá de esta estrategia y poder viajar más rápido que la luz sería necesario cambiar el combustible. Un cálculo directo muestra que se necesitaría «masa negativa» o «energía negativa», quizá las entidades más exóticas del universo, si es que existen. Tradicionalmente los físicos han descartado la energía negativa y la masa negativa como ciencia ficción. Pero ahora vemos que son indispensables para el viaje, y podrían existir realmente.
Los científicos han buscado materia negativa en la naturaleza, pero hasta ahora sin éxito. (Antimateria y materia negativa son dos cosas totalmente diferentes. La primera existe y tiene energía positiva pero carga invertida. La existencia de materia negativa está por demostrar). La materia negativa sería muy peculiar, porque sería más ligera que la nada. De hecho, flotaría. Si existiera materia negativa en el universo primitivo, se habría ido hacia el espacio exterior. A diferencia de los meteoritos que llegan a estrellarse en los planetas, atraídos por la gravedad de un planeta, la materia negativa evitaría los planetas. Sería repelida, y no atraída, por cuerpos grandes tales como estrellas y planetas. Así, aunque pudiera existir la materia negativa, solo esperamos encontrarla en el espacio profundo, y no ciertamente en la Tierra.
Una propuesta para encontrar materia negativa en el espacio exterior implica la utilización de un fenómeno llamado «lentes de Einstein». Cuando la luz pasa junto a una estrella o una galaxia, su trayectoria es curvada por la gravedad, de acuerdo con la relatividad general. En 1912 (antes incluso de que hubiera desarrollado por completo la relatividad general) Einstein predijo que una galaxia podría actuar como la lente de un telescopio. La luz procedente de objetos distantes que pasara cerca de una galaxia próxima convergería cuando rodeara la galaxia, como en una lente, y formaría una figura de anillo característica cuando finalmente llegara a la Tierra. Estos fenómenos se llaman ahora «anillos de Einstein». En 1979 se observó el primero de estos anillos de Einstein en el espacio exterior. Desde entonces, los anillos se han convertido en una herramienta indispensable para la astronomía. (Por ejemplo, en otro tiempo se pensaba que sería imposible localizar «materia oscura» en el espacio exterior. [La materia oscura es una sustancia misteriosa que es invisible pero tiene peso. Rodea a las galaxias y es quizá diez veces más abundante que la materia visible ordinaria en el universo.] Pero científicos de la NASA han sido capaces de construir mapas de materia oscura porque esta curva la luz que la atraviesa, de la misma manera que el vidrio curva la luz).
Por consiguiente, debería ser posible utilizar lentes de Einstein para buscar materia negativa y agujeros de gusano en el espacio exterior. Estos curvarían la luz de una forma peculiar, que debería ser visible con el telescopio espacial Hubble. Hasta ahora las lentes de Einstein no han detectado la imagen de materia negativa o agujeros de gusano en el espacio exterior, pero la búsqueda continua. Si un día el telescopio espacial Hubble detecta la presencia de materia negativa o de un agujero de gusano mediante lentes de Einstein, podría desencadenar una onda de choque en la física.
La energía negativa difiere de la materia negativa en que realmente existe, aunque solo en cantidades minúsculas. En 1933 Hendrik Casimir hizo una extraña predicción utilizando las leyes de la teoría cuántica. Afirmó que dos placas metálicas paralelas descargadas se atraerían mutuamente, como por arte de magia. Normalmente las placas paralelas están en reposo, puesto que carecen de carga neta. Pero el vacío entre las dos placas paralelas no está vacío, sino lleno de «partículas virtuales» que nacen y desaparecen.
Durante breves períodos de tiempo, pares electrón-antielectrón surgen de la nada para aniquilarse y desaparecer de nuevo en el vacío. Resulta irónico que el espacio vacío, que en otro tiempo se pensaba privado de cualquier cosa, ahora resulta estar agitado con actividad cuántica. Normalmente, minúsculas ráfagas de materia y antimateria parecerían violar la conservación de la energía. Pero debido al principio de incertidumbre, estas minúsculas violaciones tienen una vida increíblemente corta, y la energía se sigue conservando en promedio.
Casimir descubrió que la nube de partículas virtuales crearía una presión neta en el vacío. El espacio entre las dos placas paralelas está confinado, y por ello la presión es baja. Pero la presión fuera de las placas no está confinada y es mayor, y por ello habrá una presión neta que tiende a juntar las placas.
Normalmente, el estado de energía cero ocurre cuando estas dos placas están en reposo y alejadas una de otra. Pero a medida que las placas se aproximan, se puede extraer energía a partir de ellas. Así, puesto que se ha sacado energía cinética de las placas, la energía de las placas es menor que cero.
Esta energía negativa fue medida realmente en el laboratorio en 1948, y los resultados confirmaron la predicción de Casimir. Así pues, la energía negativa y el efecto Casimir ya no son ciencia ficción, sino un hecho establecido. El problema, no obstante, es que el efecto Casimir es muy pequeño; se necesita un equipo de medida muy delicado para detectar esta energía en el laboratorio. (En general, la energía de Casimir es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia de separación entre las placas. Esto significa que cuanto menor es la distancia de separación, mayor es la energía). El efecto Casimir fue medido con precisión en 1996 por Steven Lamoreaux en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, y la fuerza atractiva es 1/30.000 del peso de una hormiga.
Desde que Alcubierre propuso inicialmente su teoría, los físicos han descubierto varias propiedades extrañas. Las personas dentro de la nave estelar están desconectadas causalmente del mundo exterior. Esto significa que no basta con apretar un botón a voluntad para viajar más rápido que la luz. Uno no puede comunicarse a través de la burbuja. Tiene que haber una «autopista» preexistente a través del espacio y el tiempo, como una serie de trenes que pasen con un horario regular. En este sentido, la nave estelar no sería una nave ordinaria que pueda cambiar de dirección y velocidad a voluntad. La nave estelar sería realmente como un coche de pasajeros que cabalga sobre una «onda» preexistente de espacio comprimido, navegando a lo largo de un corredor preexistente de espacio-tiempo distorsionado. Alcubierre especula: «Necesitaríamos una serie de generadores de materia exótica a lo largo del camino, como en una autopista, que manipulen el espacio de una forma sincronizada».
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