El viaje del muón
La dilatación del tiempo no se ha quedado solamente en una teoría sobre el papel. Adquirida la tecnología necesaria, se empezaron a realizar experimentos para demostrar, con datos físicos, que los efectos de la dilatación temporal son reales y posibilitan el viaje al futuro.
Uno de los experimentos más exitosos para demostrar la viabilidad de la teoría de la dilatación del tiempo fue realizada con unas pequeñas partículas: los muones. Antes de empezar con la explicación del experimento, veamos qué son estas partículas.
El muón es una partícula elemental, es decir, no está formada (que se sepa) por partículas más pequeñas ni tiene estructura interna. Los muones poseen carga eléctrica negativa y se producen cuando los rayos cósmicos alcanzan la atmósfera y chocan con los núcleos de los átomos de ésta, produciendo lluvias de partículas exóticas.
El muón fue descubierto por el físico estadounidense Carl Anderson, en 1937.
Carl Anderson (1905-1991)
Este científico estaba estudiando la radiación cósmica, mediante campos electromagnéticos, cuando observo que unas partículas provenientes del espacio se desviaban en curvaturas mayores que las de los electrones, pero menores que las de los protones. Lo cual sólo podía significar que sus masas eran intermedias entre las de electrones y protones.
Pero el muón se desintegra rápidamente en un electrón, un neutrino y un antineutrino.
En 1960, se descubrió que el muón podía reemplazar, en algunos casos, al electrón de un átomo.
Imaginar al muón como una "partícula", es una forma de hacer más fácil la comprensión. Pero hay que saber que no es como una pequeña esfera. En la mecánica clásica, se calcula que el radio del muón es 2,8179 × 10−15 m. Este es un concepto desfasado, pero resulta útil para algunos cálculos.
La masa del muón es muy pequeña, pero casi 200 veces mayor que la del electrón: 0,106 GeV.
Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero).
El espín del muón es ½ . Cuando el espín de una partícula es semi-entero, se la clasifica como perteneciente al grupo denominado fermiones.
La carga eléctrica de un muón es igual que la del electrón, pero su existencia es de sólo 2,2 microsegundos. En cambio el electrón es un elemento estable en la naturaleza.
En el modelo físico de la mecánica cuántica, el muón es una partícula puntual y no tiene volumen. Pero no hay ningún problema para que se le asigne un momento angular (una rotación).
Podemos pensar en que el muón es como una bolita que gira sobre sí misma. Este momento angular se denomina espín y está cuantizado; es decir, que no puede tener cualquier valor, sino múltiplos de una cantidad mínima, que es 1/2. Este valor 1/2 se refiere a la constante reducida de Planck
Enrico Fermi (1901-1954)
El muón, al igual que todas las partículas elementales (cuatro en cada una de la tres familias), tiene espín de valor 1/2. A las partículas que tienen espín 1/2 , se las denomina fermiones, en honor del físico italiano Enrico Fermi (1901-1954).
Pero no nos compliquemos, dejémoslo en que es una partícula similar a un electrón y veamos lo importante de ella. El experimento sobre los muones consistió en demostrar, como postula la teoría de la dilatación temporal, que la velocidad ralentiza el tiempo.
Para ello, se utilizaron estas partículas, que tienen un tiempo de vida medio de 2 microsegundos (0,000002 segundos). Tras este periodo, los muones se desintegran formando un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico. Por tanto, el experimento consistió en que estos muones durasen más de los 2 microsegundos que acostumbran a vivir. ¿Cómo? Haciendo que para ellos el tiempo pasara más despacio.
Dentro del acelerador de partículas
Para ello, se utilizó un acelerador de partículas y se aceleraron los muones a una velocidad cercana a la de la luz. Usando la teoría, se puede calcular que si aceleramos las partículas al 99.87% de la velocidad de la luz, el tiempo para éstas pasará 20 veces más despacio (podemos usar este software del que hablamos en el artículo sobre la dilatación temporal para comprobarlo sin hacer los cálculos a mano).
Mediante el acelerador de partículas, se pasó de la teoría a la práctica. Y tras la aceleración, los científicos observaron que los muones acelerados tardaban, efectivamente, veinte veces más en desintegrarse; es decir, que el tiempo pasaba para ellos veinte veces más lentamente, tal y como decía la teoría.
Habían viajado al futuro. Ningún muón, por su esperanza media de vida, podría ‘ver’ el mundo más de 2 microsegundos después de nacer; pero estos consiguieron ‘ver’ el interior del acelerador 40 microsegundos en el futuro.
El viaje (natural) del muón
Esta fue la demostración de laboratorio (necesaria para sacar conclusiones fiables), pero la naturaleza lo mostraba por sí sola. Y es que antes de hacer este experimento, David Frisch y James Smith comprobaron la dilatación del tiempo sufrida por los muones de forma natural. Fue en 1963 en el Monte Washington. Y el objetivo era el mismo, demostrar que estas partículas podían durar más tiempo gracias a la velocidad.
Frisch y James midieron el flujo de muones en lo alto del Monte Washington (a casi 2.000 metros) y a nivel del mar. En la cima de la montaña, detectaron 568 muones por hora. Sabiendo que la vida media de un muón es de 2 microsegundos, a nivel del mar sólo deberían detectarse 27 por hora (prácticamente todos deberían haberse desintegrado durante ese recorrido). Este cálculo se puede hacer porque también sabemos a la velocidad que se mueven: a un 99.78% de la velocidad de la luz. Y esa es precisamente la clave.
Y es que a nivel del mar, Frisch y Smith detectaron 412 muones por hora. Casi todos los muones consiguieron recorrer los 2.000 metros antes de desintegrarse, cuando la mayoría de ellos sólo deberían haber podido recorrer 600 metros en sus 0,000002 segundos.
Estos resultados sólo podían explicarse aplicando la relatividad y el fenómeno de la dilatación temporal. Echando cuentas, teniendo en cuenta que la velocidad del muón tras cruzar la atmósfera es del 99.78% de la velocidad de la luz, la dilatación temporal debería ser de un factor 15. Es decir, el tiempo del muón, a esa velocidad, debería pasar 15 veces más despacio. Debería pasar de durar 2 microsegundos a durar 30.
Y eso es lo único que les permite llegar al suelo. Una rápida cuenta nos muestra que si viajamos 30 microsegundos a la velocidad de la luz podemos recorrer unos 9 kilómetros. Casi toda la distancia que hay desde que se cruza la troposfera hasta el suelo.
El experimento de Frisch y Smith fue filmado por John Friedman para el College physics film program
De nuevo, un muón que, tras nacer, sólo podría llegar a ‘ver’ el cielo de New Hampshire de los próximos 2 microsegundos, pudo observar la costa Oeste de Estados Unidos 30 microsegundos después de nacer, su futuro lejano.
Esta fue una demostración palpable de que la dilatación del tiempo era real y que era posible el “viaje en el tiempo” (entendiendo éste como la consecución de vivir en un momento futuro que por ley natural -nuestra esperanza de vida- jamás llegaríamos a presenciar). Un muón nacido ahora que, como mucho, podría llegar a ver el mundo dentro de 2 microsegundos, viajó al futuro y pudo presenciar la superficie de la Tierra 30 microsegundos después de su nacimiento.
Es como si una persona consiguiera, en el transcurso de su vida normal, ver el mundo de dentro de 1.200 años. Y no es que viva 1.200 años. Como explicamos en el artículo sobre la dilatación temporal, para esa persona viajando a una velocidad cercana a la de la luz su vida pasaría a un ritmo normal y viviría hasta cumplir los 80 años, por ejemplo. Pero, en el transcurso de su viaje, en el mundo exterior habrían pasado 1.200 años. Si nació en el año 2000, antes de morir a los 80 años (todos ellos viajando a la velocidad de la luz), podría bajar a la Tierra y ver el mundo en el año 3.200. Habría viajado al futuro.
Resumen level 5
El muón es una partícula elemental, que se producen cuando los rayos cósmicos alcanzan la atmósfera los cuales tienen un periodo de vida de 2 micro segundos pero llegan a la tierra lo que le tomaría 30 micro segundos en otras palabras viajan 28 micro segundos al futuro.