Un fenómeno superlumínico (también llamado hiperlumínico) se refiere a la propagación de información o materia a una velocidad superior a c (velocidad de la luz). A veces, el término se aplica también a casos en que no existe propagación real de información o material, pero existe una aparente propagación de alguna de las dos a velocidades superiores a la luz, que también se discuten en este artículo.
La teoría de la relatividad especial describe consistentemente partículas que nunca exceden la velocidad de la luz, aunque el formalismo de la teoría da para preguntarse como se verían o qué efectos tendrían partículas hipotéticas, llamadas taquiones cuya velocidad excediera la de la luz. La existencia de taquiones violaría la causalidad física e implicaría la posibilidad de viajes en el tiempo. Sin embargo, no se ha observado ninguna partícula taquiónica y el consenso científico es que los taquiones no existen. Por otro lado, depende de la hipótesis de que extraordinariamente regiones distorsionadas del espacio y tiempo podría permitir que si la materia llegue a lugares distantes en menos tiempo de lo que lo haría la luz con su viaje "sin distorsionar" el espacio-tiempo. Aparentemente algunos tipos de fenómenos superlumínicos no están excluidos en el marco de la teoría de la relatividad general; sin embargo, aquellos no se producen bajo las condiciones usuales que hemos podido observar en la relación espacio-tiempo formada por materia ordinaria. Algunos ejemplos de fenómenos superlumínicos son aquellos asociados a la métrica de Alcubierre, el tubo de Krasnikov, los agujeros de gusanos transitables, o algunas formas de efecto túnel en mecánica cuántica. Nótese que dentro de medios materiales es posible que partículas subatómica sí se desplacen más rápido que la velocidad de la luz en el medio, pero nunca más rápido que la luz en el vacío.
Viaje supralumínico de no-información En el contexto para este artículo, se considera que la propagación superlumínica es la transmisión de información o de materia a una velocidad superior a la de la luz en el vacío, cual es c = 299,792,458 m/s. Algunos procesos parecen propagarse más rápido que c, pero parece que no pueden suponer la transmisión de información útil. En las secciones siguientes se dan ejemplos de estos fenómenos.
Además, en algunos medios materiales, el frente de onda de la luz se propaga a una velocidad efectiva c/n < c (donde n es índice de refracción del medio), aunque otras partículas pueden ir más rápido que c/n, pero más lento que c (aun así los fotones individualmente siempre se propagan a c por ser partículas sin masa). En esas circunstancias se produce la llamada radiación de Cherenkov. Ninguno de estos fenómenos violan la relatividad especial o crean problemas con la causalidad, y estos no califican como transmisión superlumínica.
Posibilidad de realización El viaje o la comunicación superlumínicas son problemáticos en un universo consistente con la teoría de la relatividad de Einstein. En un universo newtoniano hipotético donde las leyes de Newton y las Transformaciones de Galileo son exactas, lo siguiente sería cierto: Las leyes de la Física serían las mismas en cualquier sistema de referencia, aunque algunas leyes incluirían terminología que involucre la velocidad de dicho marco de referencia. Las cantidades medidas en diferentes marcos de referencia se relacionan por las transformaciones de Galileo, aunque para algunas cantidades la transformación será más complicada que para otras Las velocidades se suman de forma lineal. En un marco de referencia, un punto x corresponde a la trayectoria x-vt, donde el marco se mueve a una velocidad relativa (relativa al marco de referencia original) llamada v. No hay nada fundamental acerca de la velocidad de la luz. Todos los observadores coinciden en sus medidas del tiempo, en otras palabras, se tiene un tiempo absoluto. La simultaneidad es un concepto bien definido, en el que todos los observadores estarían de acuerdo en si dos eventos cualesquiera son simultáneos.
Sin embargo, de acuerdo a la relatividad especial, lo que medimos como velocidad de la luz en el vacío es en realidad la constante física c. Esto significa que todos los observadores, sin importar su aceleración o velocidad relativa, siempre verán que las partículas de masa cero (como el fotón o el gravitón) viajan a velocidad c. Esto significa que las medidas de tiempo y velocidad en distintos marcos ya no son idénticas para todos los observadores (espacio y tiempo relativos al oberservador), sino por las Transformaciones de Poincaré, lo que a su vez implica que:
Para acelerar un objeto de masa distinta a cero hasta que tienda a c se necesitaría tiempo infinito con aceleración finita, o aceleración infinita con tiempo finito. De cualquier manera, tal aceleración requiere energía infinita. Ir más allá de la luz en un espacio homogéneo requeriría más que infinita energía, por lo que carece de sentido físico y matemático. Viajar más rápido que la luz en un marco de referencia inercial equivaldría a viajar hacia atrás (o adelante dependiendo del sentido) en el tiempo si se observa desde un marco referencial distinto, pero igualmente válido
Por esto, parece que sólo existe un limitado número de razones para justificar el comportamiento superlumínico.
Opción A: Ignorar la Relatividad Especial Es la solución más sencilla, y es particularmente popular en ciencia ficción. Fenómenos físicos tales como la dilatación temporal, las lentes gravitacionales o la existencia de ondas gravitacionales han sido verificados empíricamente, de lo cual se infiere que el universo se puede describir razonablemente mediante la mecánica relativista de Einstein, y no según la mecánica newtoniana. Sin embargo, en la actualidad carecemos de una teoría completamente satisfactoria para describir todos los fenómenos físicos, así la relatividad general y la mecánica cuántica son dos teorías incompatibles, aunque ambas están bien fundamentadas y son muy precisas, existen situaciones en que no describen la realidad de forma exacta, y esa es la razón por la cual actualmente se busca una "teoría del todo" que generalizarían ambas teorías de forma consistente. La relatividad especial sí ha sido integrada de manera consistente con la mecánica cuántica, en la llamada teoría cuántica de campos (que no incluye fenómenos gravitacionales o sistemas de referencia fuertemente acelerados). De hecho, la actual teoría cuántica de campos sólo es aplicable a un universo plano. Sin embargo, medidas precisas muestran que el espacio deja de ser plano alrededor de grandes masas gravitatorias.
Opción B: El vacío de Casimir El vacío newtoniano se parece al vacío cuántico predicho por la teoría cuántica de campos. El vacío cuántico tiene una energía asociada a él, llamada energía de vacío, y ésta puede varíar según algunas circunstancias. Cuando disminuye, la luz puede alcanzar un valor superior a c. Dicho vacío puede ser producido al juntar (hasta separaciones en escala atómica) 2 placas metálicas perfectamente lijadas. Esto se llama el Vacío de Casimir, y de los cálculos se infiere que la luz rebasará c en dicho entorno. Sin embargo, esto no se ha podido verificar de forma experimental por las limitaciones tecnológicas actuales.
Las ecuaciones de Einstein acerca de la relatividad especial supone de manera implícita el concepto de homogeneidad. El espacio es igual (homogéneo) en todos lados. En el caso del Vacío de Casimir, esto es claramente violado, pues el valor de c dentro del vacío es distinto al del resto del universo, lo cual altera las ecuaciones de relatividad especial. Sin embargo, al considerar que hay dos marcos de referencia (el vacío es uno, el resto del universo es el otro), las ecuaciones de relatividad especial ya no se aplican pues ya no se puede suponer que exista homogeneidad en el universo.
Dicho en otras palabras, el Efecto Casimir divide el espacio en distintos sectores homogéneos, cada uno de los cuales sigue las reglas de la relatividad general a su manera.
Si bien lo anterior es, técnicamente hablando, ir más rápido que la luz sólo es cierto cuando se compara con regiones del espacio disociadas del fenómeno Casimir. No está claro si el vacío de Casimir es estable bajo las leyes de mecánica cuántica, y si se puede establecer comunicación entre la región del espacio bajo efectos de Casimir, y otras regiones.
Opción C: Desechar la causalidad Otra aproximación sería aceptar la relatividad especial, pero admitiendo que algunos mecanismos de la relatividad general, tales como los agujeros de gusano, permitirían viajar entre 2 puntos dados sin recorrer el espacio intermedio.
Mientras que esto soluciona la necesidad de una aceleración infinita, todavía acarrea el problema de violar la causalidad y generar curvas de tiempo cerradas. La causalidad no se necesita en relatividad especial ni general, pero es considerada una propiedad básica del universo, que no puede ser obviada. Es por esto que muchos científicos esperan (y desean) que la gravedad cuántica pueda solucionar este bache. Una alternativa es suponer que si el viaje en el tiempo fuera posible, nunca llevaría a ocasionar paradojas. Esto se llama principio de autoconsistencia de Novikov.
Opción D: Desechar la relatividad absoluta Debido al fuerte apoyo de los hallazgos empíricos hacia la relatividad especial, cualquier modificación a ésta debe ser muy sutil y difícil de medir. El intento más conocido es la relatividad doblemente especial, que plantea que la longitud de Planck es la misma en cualquier marco de referencia. Este concepto se asocia con el trabajo de Giovanni Amelino-Camelia y João Magueijo.
Una consecuencia de esta teoría es tener una velocidad de la luz variable, donde la velocidad de los fotones cambia de acuerdo a la energía, e incluso algunas partículas de masa cero podrían exceder c. Si bien evidencia reciente pone serias dudas sobre esta teoría, algunos científicos todavía la consideran viable. Sin embargo, aún si fuera cierta, esta teoría sigue siendo poco clara acerca de si permitiría que la información excediera c, y de todas formas, pareciera no permitir que partículas con masa distinta de cero puedan viajar más rápido que la luz.
Existen teorías especulativas que dicen que la inercia se produce por la masa combinada del universo (el Principio de Mach, por ejemplo), lo cual implica que el universo quieto (en oposición al movimiento inercial de las demás cosas que hay en él) es "preferido" para llevar a cabo mediciones comunes de las leyes de la naturaleza (en otras palabras, que las leyes parecen ser como son porque las medimos en el contexto del marco de referencia escogido, en este caso, el universo).
Si esto se confirma, implicaría que la relatividad especial es una aproximación a una teoría más general, pero como por definición, esta confirmación se daría únicamente fuera del universo observable, es difícil (por ponerlo de alguna manera) imaginar, y mucho más difícil construir experimentos que comprueben esta hipótesis.
Opción E: Ir a un lugar donde la relatividad especial no rija Una opción muy popular en películas, juegos, series y novelas de ciencia ficción es suponer la existencia de algún otro "lugar" (que usualmente se denomina hiperespacio), al que se puede acceder desde nuestro universo, y en el cual las leyes de la física y relatividad son distintas, pueden ser distorsionadas, manipuladas o incluso no existen, lo cual facilita el transporte rápido entre puntos distantes del universo sin necesidad de usar mucha energía o impulso para tal fin.
Para lograr este viaje, a menudo se supone que en el hiperespacio no afecta la relatividad especial, o que lo que en nuestro universo son 2 lugares muy lejanos, en este otro lugar pueden perfectamente ser sitios muy próximos.