Los tramposos muones, y cómo podemos tocar estrellas

Noche estrellada de Vincent van Gogh
Noche estrellada de Vincent van Gogh

Las teorías de relatividad desarrolladas inicialmente por Einstein establecen que varias magnitudes físicas medibles son relativas a la velocidad de movimiento del observador, específicamente, el tiempo se dilata y el espacio se contrae. Se establece que un cuerpo moviéndose a velocidades cercanas a la velocidad de la luz experimentaría una dilatación de tiempo y una contracción del espacio en la dirección en la que cuerpo se mueve. Este principio se extrapola hasta la mismísima velocidad de la luz, a la cual un cuerpo no experimentaría tiempo alguno y el espacio estaría infinitamente contraído en la dirección en la que se mueve.

Este efecto de dilatación y contracción se puede observar de forma notable en los muones generados en la atmósfera de nuestro planeta. Los muones son partículas que se generan cuando rayos cósmicos del sol colisionan con las capas superiores de la atmosfera. Estos muones se mueven en relativamente la misma dirección que los rayos cósmicos que los engendraron y a velocidades cercanas a la velocidad de la luz (0,9997c).

Estas partículas tienen una vida media de aproximadamente 2,2µs. Esto quiere decir que luego de 2,2 millonésimas partes de un segundo, la mitad de los muones de cualquier cantidad de estos se habrán degradado para formas otras partículas. Esta vida media es extremadamente corta, e incluso moviéndose a la velocidad con que los muones se mueven, sólo alcanzarían a moverse unos 450m antes de que la mitad de ellos sea degradado. Con esto en mente, uno debería pensar que los muones que se forman en las capas superiores de la atmósfera (más de 15.000 metros de altura) no deberían alcanzar la superficie terrestre, sin embargo más de diez mil muones golpean cada metro cuadrado de la tierra por minuto. ¿Cómo se explica esto?

Debido a la velocidad con que se mueven los muones, desde el punto de vista de la tierra el tiempo que experimentan se dilata considerablemente. Esto permite a los muones alcanzar la superficie de la Tierra, a pesar de que realizaron un viaje de varios miles de metros. Entonces es la dilatación lo que explica cómo los muones llegan a la Tierra, desde el punto de vista un observador en la Tierra. Un tipo con un cronometro en la Tierra vería que los muones hacen el viaje en alrededor de 50µs, un tiempo mucho mayor que la vida media de los muones.

¿Pero qué ocurre desde el punto de vista de los muones? Desde el marco de referencia inercial de los muones, su propia vida media no se ve afectada. Si hubiera una personita en miniatura sentada sobre un muon, sosteniendo otro cronometro, vería que luego de 2,2µs la mitad de los muones con los que viaja se verían degradados. Lo que ocurre en vez es que desde el punto de vista de los muones, el espacio en la dirección en la que se mueven se vería contraído enormemente, entonces esos 15.000 metros se reducirían a una distancia de solo cientos de metros, permitiendo a los muones alcanzar la superficie terrestre en un tiempo menor a 2,2µs. Son entonces estos dos efectos, la dilatación del tiempo y la contracción del espacio lo que explica cómo estas partículas no se degradan antes de poder ser detectadas por nuestros sensores en la Tierra. Así es cómo los muones hacen “trampa” y se mueven distancias mayores a las podrían moverse en un tiempo dado sin velocidades relativistas.

Los muones se mueven a velocidades muy cercanas a la luz, pero jamás podrán alcanzarla. Según la teoría de relatividad, ningún cuerpo con masa puede jamás alcanzar la velocidad de la luz, la energía necesaria para que ello ocurra sería infinita. Es por esto que ningún objeto con masa nunca podría experimentar esta dilatación y contracción infinita que le ocurre a la luz.

Afortunadamente, existen partículas sin masa que sí pueden alcanzar la velocidad de la luz. Un ejemplo de esto son los fotones, las mismísimas partículas que componen la luz. Para los fotones no existe el tiempo y el universo es un espacio bi-dimensional, con la dirección en la que se mueven infinitamente contraída.

Algo que hace que este fenómeno sea aún más sorprendente, es el hecho de que muchos fotones que alcanzan nuestro planeta provienen de estrellas lejanas, a más de miles de millones de años luz de distancia. Fotones que nacieron en el corazón de estrellas que ya murieron hace eones, que han viajado imperturbados por miles de millones de años para finalmente chocar contra las retinas de nuestros ojos en alguna noche de cielo estrellado.

Para estos fotones, su nacimiento en una estrella y muerte en nuestros ojos es un fenómeno simultáneo, y no existe distancia alguna entre esta estrella y nosotros. Tomando en cuenta esto creo que podemos decir que de alguna extraña manera, cuando miramos una noche estrellada, somos contemporáneos y prácticamente podemos tocar estrellas más antiguas que nuestro planeta.

Este artículo nos lo envía Vicente Muñoz Walther. Ingeniero en Biotecnología Molecular de la Universidad de Chile, en Santiago de Chile. En la actualidad trabaja en el laboratorio de Virología Molecular de la Fundación Ciencia & Vida. Vicente también escribe cuentos cortos de fantasía y ciencia ficción, los cuáles podéis leer en cuentosdeltente.blogspot.com.

Referencias científicas y más información:

Beringer et al. (Particle Data Group) (2012).«PDGLive Particle Summary ‘Leptons (e, mu, tau, … neutrinos …)'»(PDF). Particle Data Group. Retrieved 2013-01-12.

Mark Wolverton (September 2007). «Muons for Peace: New Way to Spot Hidden Nukes Gets Ready to Debut»Scientific American 297 (3): 26–28.



Por Colaborador Invitado
Publicado el ⌚ 17 agosto, 2015
Categoría(s): ✓ Astronomía • Física