El Universo posee una velocidad límite insuperable, válida para toda materia o información. Esta restricción no proviene de una fuerza particular, sino que se deriva directamente de la estructura del espacio-tiempo, tal como la describen las leyes fundamentales de la física.
En 1873, James Clerk Maxwell (1831-1879) publicó su tratado final, comenzado en 1861, "A Treatise on Electricity and Magnetism". Este tratado sintetiza y desarrolla toda su teoría sobre el electromagnetismo, prediciendo la existencia de ondas que se propagan en el vacío.
La velocidad de estas ondas electromagnéticas está dada por la relación: \( v = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \, \mu_0}} \) donde \(\varepsilon_0\) representa la permitividad del vacío y \(\mu_0\) la permeabilidad del vacío. Esta ecuación muestra que la velocidad \(v\) es una propiedad intrínseca del vacío y no una velocidad de transporte de materia. Da exactamente el valor de la velocidad de la luz en el vacío, \(c\) = 299.792.458 m·s-1. La letra \(c\) para representar la velocidad de la luz fue popularizada por Albert Einstein (1879-1955) en sus trabajos de 1905 sobre la relatividad especial.
En la época de Maxwell, los valores exactos de \(\varepsilon_0\) y \(\mu_0\) no estaban definidos con la precisión actual, y la velocidad calculada era por lo tanto solo aproximada. Maxwell comparó esta velocidad con las mediciones conocidas de la velocidad de la luz en su época. En 1862, Léon Foucault (1819-1868) logró medir la velocidad de la luz con gran precisión. Utilizando un dispositivo ingenioso que combinaba espejos y una rueda dentada, obtuvo un valor de aproximadamente 298.000 km/s. Maxwell, al notar esta concordancia, sugirió que la luz es una onda electromagnética.
N.B.:
La permitividad del vacío (\(\varepsilon_0\)) es una constante física que caracteriza la capacidad del vacío para "albergar" un campo eléctrico. Se expresa en faradios por metro (F·m-1) y aparece en la ley de Coulomb y en las ecuaciones de Maxwell.
La permeabilidad del vacío (\(\mu_0\)) caracteriza la respuesta del vacío a un campo magnético. Se expresa en henrios por metro (H·m-1) y aparece en la ley de Ampère y en las ecuaciones de Maxwell.
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) postuló que esta velocidad es idéntica para todos los observadores inerciales, fundando así la relatividad especial.
En esta teoría, la energía total de una partícula de masa \(m\) que se mueve a velocidad \(v\) se escribe como: \( E = \gamma m c^2 \) con: \(c\) la velocidad de la luz y \(\gamma\) el factor de Lorentz \( \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} \).
Así, cuando \(v\) se acerca a \(c\), el factor \(\gamma\) crece bruscamente y diverge hacia el infinito (\(\gamma \to +\infty\)):
Para un objeto de 1 g moviéndose a una velocidad tal que \(\gamma \approx 70710\), la energía total: \(E = \gamma \, m_0 c^2\) sería: \(\approx 6,35 \times 10^{19}\ \text{J}\). En otras palabras, un pequeño objeto de 1 g requeriría toda la energía consumida por el planeta entero durante aproximadamente un mes.
Esta energía gigantesca muestra que, incluso para un objeto muy pequeño con masa en reposo, alcanzar una velocidad extremadamente cercana a \(c\) requiere una energía prácticamente imposible de proporcionar. La velocidad \(c\) aparece así no solo como un límite de velocidad, sino como una barrera energética insuperable para cualquier objeto con masa en reposo.
Los fotones no tienen masa en reposo (\(m_0 = 0\)), su energía está completamente asociada a su cantidad de movimiento (\(E = pc\)). En el contexto de la relatividad, esta relación implica que su velocidad es necesariamente \(c\). No pueden ni ralentizarse ni superar esta velocidad, ya que cualquier variación violaría la ecuación relativista que vincula energía, masa y cantidad de movimiento.
| Contexto físico | Ecuación | Significado | Referencia |
|---|---|---|---|
| Electromagnetismo | \( v = 1 / \sqrt{\varepsilon_0 \mu_0} \) | Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas | James Clerk Maxwell |
| Relatividad especial | \( \gamma = 1 / \sqrt{1 - v^2/c^2} \) | Dilatación del tiempo y aumento de la energía | Albert Einstein |
| Masa-energía | \( E = m c^2 \) | Equivalencia masa-energía | Albert Einstein |
| Relatividad y fotones | \( E^2 = (m_0 c^2)^2 + (pc)^2 \) | Para \(m_0 = 0\), \(E = pc\); velocidad del fotón = \(c\) | Albert Einstein |
Fuentes: NIST - Constantes físicas fundamentales, Royal Society Publishing.
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