Un efecto de la relatividad se hace visible en el laboratorio

En la Universidad de Tecnología de Viena se ha utilizado un truco técnico para simular una velocidad de la luz de tan solo 2 m/s en el laboratorio, para recrear por primera vez el efecto Terrell-Penrose.

Cuando un objeto se mueve extremadamente rápido, cerca de la velocidad de la luz, ciertas suposiciones básicas que damos por sentadas dejan de ser válidas. Esta es la consecuencia principal de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein. El objeto tiene entonces una longitud diferente a la que tiene en reposo, y el tiempo transcurre de forma distinta para él que en el laboratorio. Todo esto se ha confirmado repetidamente mediante experimentos.

Sin embargo, una consecuencia interesante de la relatividad aún no se había observado: el llamado efecto Terrell-Penrose. En 1959, los físicos James Terrell y Roger Penrose (premio Nobel en 2020) concluyeron de forma independiente que los objetos que se mueven rápidamente deberían parecer rotados. Sin embargo, este efecto nunca se ha demostrado.

Ahora, una colaboración entre la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y la Universidad de Viena ha logrado por primera vez reproducir este efecto mediante pulsos láser y cámaras de precisión, a una velocidad efectiva de la luz de 2 metros por segundo.

"Supongamos que un cohete pasa zumbando junto a nosotros al noventa por ciento de la velocidad de la luz. Para nosotros, ya no tiene la misma longitud que antes de despegar, sino que es 2,3 veces más corto", explica en un comunicado el profesor Peter Schattschneider de la TU Wien. Esta es la contracción de longitud relativista, también conocida como contracción de Lorentz.

Sin embargo, esta contracción no se puede fotografiar. "Si se quisiera tomar una foto del cohete mientras pasa, habría que tener en cuenta que la luz desde diferentes puntos tardaba distintos tiempos en llegar a la cámara", explica Peter Schattschneider. La luz que proviene de diferentes partes del objeto y llega a la lente o a nuestro ojo simultáneamente no se emitió simultáneamente, lo que produce efectos ópticos complejos.

Imaginemos --expone-- que el objeto superrápido es un cubo. En ese caso, el lado que mira hacia afuera está más lejos que el que mira hacia nosotros. Si dos fotones llegan a nuestro ojo al mismo tiempo, uno desde la esquina frontal del cubo y otro desde la esquina posterior, el fotón de la esquina posterior ha recorrido una mayor distancia. Por lo tanto, debe haber sido emitido antes. Y en ese momento, el cubo no estaba en la misma posición que cuando se emitió la luz desde la esquina frontal.

"Esto nos da la impresión de que el cubo ha girado", afirma Peter Schattschneider. Esto se debe a la combinación de la contracción relativista de la longitud y los diferentes tiempos de viaje de la luz desde diferentes puntos. En conjunto, esto conduce a una rotación aparente, como predijeron Terrell y Penrose.

Por supuesto, esto es irrelevante en la vida cotidiana, incluso al fotografiar un coche extremadamente rápido. Incluso el Fórmula 1 más rápido solo se desplazará una pequeña fracción de la distancia en la diferencia de tiempo entre la luz emitida por el lateral opuesto y el lateral que nos mira. Pero con un cohete viajando a una velocidad cercana a la de la luz, este efecto sería claramente visible.

Técnicamente, actualmente es imposible acelerar cohetes a una velocidad a la que este efecto pueda apreciarse en una fotografía. Sin embargo, el grupo dirigido por Peter Schattschneider, de la USTEM de la TU Wien, encontró otra solución inspirada en el arte: utilizaron pulsos láser extremadamente cortos y una cámara de alta velocidad para recrear el efecto en el laboratorio.

"Movimos un cubo y una esfera por el laboratorio y usamos la cámara de alta velocidad para registrar los destellos láser reflejados desde diferentes puntos de estos objetos en distintos momentos", explican Victoria Helm y Dominik Hornof, los dos estudiantes que llevaron a cabo el experimento. Si se calcula el tiempo correctamente, se puede crear una situación que produce los mismos resultados que si la velocidad de la luz no superara los 2 metros por segundo.

Es fácil combinar imágenes de diferentes partes de un paisaje en una sola imagen grande. Lo que se ha hecho aquí por primera vez es incluir el factor tiempo: el objeto se fotografía en muchos momentos diferentes. Luego, las áreas iluminadas por el destello láser en el momento en que la luz se habría emitido desde ese punto si la velocidad de la luz fuera de solo 2 m/s se combinan en una sola imagen fija. Esto hace visible el efecto Terrell-Penrose.

"Combinamos las imágenes fijas en breves videoclips de los objetos ultrarrápidos. El resultado fue exactamente el esperado", afirma Peter Schattschneider. "Un cubo parece retorcido, una esfera sigue siendo una esfera, pero el Polo Norte está en un lugar diferente".