Impactante avance: por primera vez se logró simular cómo rotan objetos cercanos a la velocidad de la luz

Un experimento realizado por investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) y la Universidad de Viena ha logrado, por primera vez, simular y mostrar visualmente cómo un objeto que se desplaza cerca de la velocidad de la luz aparece rotado ante un observador, confirmando así el efecto Terrell–Penrose, una predicción de la relatividad especial que durante décadas permaneció sin demostración visual.

Según informó Space, este avance permite observar un fenómeno que, hasta ahora, solo existía en el terreno teórico y en simulaciones matemáticas, acercando la física de altas velocidades a la experiencia cotidiana.

Relatividad especial: fundamentos y consecuencias

La teoría de la relatividad especial, formulada por Albert Einstein, describe el comportamiento de los objetos que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Entre sus consecuencias más conocidas se encuentran la dilatación temporal y la contracción de la longitud. La dilatación temporal implica que el tiempo transcurre más lentamente para un objeto en rápido movimiento respecto a un observador en reposo, un fenómeno que ha sido comprobado experimentalmente y que se aplica, por ejemplo, en la calibración de los satélites del sistema de posicionamiento global (GPS) para garantizar la precisión de los datos de navegación.

Por otro lado, la contracción de la longitud establece que un objeto que viaja a una fracción significativa de la velocidad de la luz se percibe más corto en la dirección de su movimiento. Peter Schattschneider, profesor de física en TU Wien, explicó a Space: “Supongamos que un cohete pasa junto a nosotros al 90% 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”. Esta contracción, sin embargo, es relativa: los ocupantes del cohete seguirían midiendo la misma longitud de su nave, ya que el efecto depende del marco de referencia del observador.

El efecto Terrell–Penrose: una predicción de 1959

En 1959, los físicos James Terrell y Roger Penrose propusieron que, además de la contracción de la longitud, los objetos que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz deberían parecer rotados para un observador externo. Este fenómeno, conocido como efecto Terrell–Penrose, surge porque la luz emitida o reflejada desde diferentes puntos de un objeto tarda distintos intervalos en llegar a la cámara o al ojo del observador, dependiendo de la distancia que debe recorrer.

Schattschneider ilustró este efecto con el ejemplo de una nave espacial en forma de cubo que se desplaza oblicuamente a gran velocidad: “Si quisiéramos tomar una fotografía del cohete mientras pasa, tendríamos que considerar que la luz de diferentes puntos tarda distintos tiempos en llegar a la cámara”. Así, la luz proveniente de la esquina más cercana del cubo recorre una distancia menor que la de la esquina opuesta. En una imagen estática, los fotones de la esquina lejana deben haber partido antes que los de la esquina cercana para llegar al mismo tiempo al objetivo. Como el cubo se mueve a gran velocidad, la posición desde la que partió la luz de la esquina lejana es muy diferente de la posición actual, lo que genera la apariencia de rotación en la imagen capturada.

El experimento: simulando la velocidad de la luz en el laboratorio

Hasta ahora, observar el efecto Terrell–Penrose en la práctica resultaba imposible, ya que acelerar objetos macroscópicos a velocidades cercanas a la de la luz requiere cantidades de energía inalcanzables. Sin embargo, el equipo de TU Wien y la Universidad de Viena, integrado por Schattschneider y los estudiantes Dominik Hornoff y Victoria Helm, ideó una forma de simular estas condiciones en el laboratorio.

Hornoff y Helm diseñaron un experimento en el que “pudieron fabricar un escenario donde podían fingir que la velocidad de la luz era de solo dos metros por segundo”, según detallaron en una declaración conjunta recogida por Space. Esta reducción artificial de la velocidad de la luz permitió ralentizar el proceso lo suficiente como para capturarlo con una cámara de alta velocidad.

En la práctica, los investigadores movieron un cubo y una esfera por el laboratorio, utilizando pulsos láser extremadamente breves para iluminar diferentes puntos de los objetos en momentos precisos. Las imágenes de la luz reflejada se registraron con exposiciones de apenas un picosegundo (una billonésima de segundo). Tras cada toma, el cubo y la esfera se reposicionaron como si estuvieran desplazándose a velocidades relativistas. Posteriormente, las imágenes se combinaron para incluir únicamente aquellas en las que cada objeto estaba iluminado en el instante en que la luz habría sido emitida si la velocidad de la luz fuera de dos metros por segundo, en lugar de los 299.792.458 metros por segundo reales.

Para simular la contracción de la longitud, el cubo se transformó en un cuboide con una relación de aspecto de 0,6, correspondiente a una velocidad simulada del 80% de la velocidad de la luz, mientras que la esfera se aplanó en forma de disco, como ocurriría a una velocidad del 99,9% de la velocidad de la luz.

Resultados: visualización de la rotación aparente

El análisis de las imágenes permitió a los investigadores observar el efecto predicho por la relatividad especial. Schattschneider explicó a Space: “Combinamos las imágenes fijas en pequeños videoclips de los objetos ultrarrápidos. El resultado fue exactamente lo que esperábamos. Un cubo aparece torcido, una esfera sigue siendo una esfera, pero el polo norte está en un lugar diferente”. De este modo, el experimento logró demostrar visualmente que, para un observador externo, un objeto que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz no solo se contrae, sino que también parece rotar, tal como anticiparon Terrell y Penrose.

El significado del hallazgo según los investigadores

Para los autores del experimento, la confirmación visual del efecto Terrell–Penrose representa un avance significativo en la comprensión de los fenómenos relativistas. Hornoff y Helm subrayaron que, al ajustar cuidadosamente el tiempo de los pulsos láser y la captura de imágenes, lograron reproducir en el laboratorio un fenómeno que, en la naturaleza, solo se manifestaría en condiciones extremas.

Schattschneider concluyó en declaraciones recogidas por Space: “El efecto Terrell–Penrose es solo otro ejemplo de cómo la naturaleza, cuando se la lleva al extremo, se vuelve desconcertante, creando fenómenos bastante ajenos a nuestra existencia”. La información, publicada por Space, destaca cómo este experimento acerca conceptos fundamentales de la física moderna al ámbito experimental y visual, permitiendo comprender mejor los límites de la percepción y la realidad en el universo relativista.