'Experimento con la luz'
El pulso lumínico salió de una cámara de cesio 62 nanosegundos antes de entrar en ella.
EL PAÍS / NATURE, Madrid /
Londres
Un pulso de luz que avanza tan deprisa que sale
de una caja antes de entrar. Ese es el resultado de un reciente
experimento calificado de asombroso por los propios científicos y que hoy
se publica cuando ya ha suscitado el interés de los investigadores en
óptica. El experimento muestra que la luz en forma de paquetes o pulsos
puede, en condiciones muy especiales, sobrepasar hasta 310 veces su propio
límite de velocidad, establecido en la teoría de la relatividad especial
de Einstein, y abrir la puerta a la paradoja al salir de una cámara de
cesio antes de entrar en ella.
|
'Experimento con la luz' |
Uno de los experimentos imaginarios utilizados para ilustrar la teoría de la relatividad especial de Einstein es "la paradoja del abuelo", según la cual un astronauta hace un viaje de ida y vuelta en una nave que viaja a una velocidad superior a la de la luz y llega de vuelta a la Tierra muchos años antes de haber partido. Viajar más rápido que la luz implica viajar hacia atrás en el tiempo. El astronauta vuelve antes de que sus abuelos hayan concebido a su padre y mata a su abuelo. Entonces, resulta imposible su existencia. Esto, dicen los libros de texto, es precisamente el tipo de absurdo que hace imposible que cualquier cosa viaje a una velocidad superior a la de la luz en el vacío: 300.000 kilómetros por segundo, conocida como c.
Ahora, un equipo de físicos de Estados Unidos ha conseguido que un rayo de luz atraviese una cámara de gas a una velocidad varios centenares de veces superior a la de la luz. Se mueve tan deprisa que sale de la cámara antes de entrar.
Lijun J. Wang y su equipo, del Instituto de Investigación NEC en Princeton (Nueva Jersey) describen hoy este resultado aparentemente absurdo en la revista Nature pero se preocupan de señalar que no viola la teoría de la relatividad ni el principio de causalidad (que dice que la causa siempre precede al efecto). Según explicó Wang cuando su experimento empezó a ser conocido: "En efecto, se puede hacer que nuestros impulsos luminosos viajen a una velocidad superior a c. Esto es una propiedad especial de la luz en sí, que es diferente de un objeto conocido, como un ladrillo, ya que la luz es una onda sin masa". Según su argumento, los pulsos superlumínicos son el resultado de mecanismos clásicos de interferencia debidos a la naturaleza ondulatoria de la luz y no se transmite información alguna (señal) a velocidad superior a c.
El principio de causalidad es el principio que resulta amenazado en la paradoja del abuelo. La luz que parece llegar antes de partir resulta, a primera vista, una paradoja del mismo calibre. La razón de que no lo sea es bastante sutil.
Grupo de turistas
Un impulso de luz puede ser considerado como cierto número de rayos u ondas que viajan juntos, en cierto modo como un grupo de turistas. Algunos se encontrarán a la cabeza del grueso del grupo; otros se quedarán rezagados, pero el grupo como tal se mueve con una determinada velocidad de grupo. Cuando un pulso de luz se mueve por la mayor parte de los materiales su velocidad de grupo es más pequeña que en el vacío, de la misma forma que un grupo de turistas se mueve más despacio en un museo que en un patio donde no tiene nada que observar. El grado de deceleración caracteriza el índice de refracción del material.
Para hacer que la luz se mueva más deprisa de lo que lo haría en el vacío -más deprisa que c- hay que crear un material que tenga un índice de refracción inusual. Esto ya se ha conseguido antes de los experimentos de Wang y su equipo, mediante la utilización de un material que distorsiona la forma del pulso luminoso. Si volvemos a la analogía de los turistas, esto se corresponde con que muchos de ellos se unan a la cabeza del grupo, haciendo correr a los que se quedan atrás. La velocidad de grupo de un pulso así distorsionado puede exceder de c incluso si los rayos en sí mismos no viajan más deprisa que la luz.
Sin embargo, ahora, Wang ha demostrado una transmisión más veloz que c sin distorsión del pulso de luz. En su material, un gas frío de átomos de cesio, las ondas de luz que se propagan son amplificadas en unas frecuencias por interacción con los átomos. Esto produce extraños efectos en el índice de refracción del gas en las cercanías de la frecuencia de amplificación. Para explotar este efecto sin distorsionar el pulso de luz, los científicos tuvieron que utilizar un truco especial que consistió en enviar a través del gas dos rayos láser con frecuencias ligeramente diferentes. Al hacerlo, consiguieron una velocidad de grupo unas 310 veces superior a c - un incremento mucho mayor que lo visto en experimentos anteriores-.
Además, la velocidad de grupo fue negativa, lo que quiere decir que el pulso viaja en la dirección opuesta a las ondas individuales. Es como si al andar en un sentido, el grupo de turistas terminara moviéndose en sentido contrario, como sucede en un atasco, que se propaga hacia atrás aunque los automóviles sigan moviéndose hacia adelante. Este resultado antiintuitivo es posible únicamente porque los rayos de luz, al revés que los turistas, son ondas.
Como consecuencia, parece que el pulso sale de la cámara de gas 62 nanosegundos (milmillónesimas de segundo) antes de que entre. Sin embargo, esto no viola la causalidad porque el pulso que viaja acelerado y en sentido contrario no puede mandar ninguna información codificada a mayor velocidad que la de la luz en el vacío y por tanto no puede tener un efecto sobre su propia causa.
Transmisión de señal
Sin embargo, existe cierta discusión todavía, según explica el especialista Jon Marangos en la misma revista, sobre cuál es la velocidad a la que de verdad se transmite información en un pulso de luz, y esto depende de cómo se defina la información. En el caso de pulsos de luz formados por muy pocos fotones se podría argumentar que la velocidad del grupo es la misma que la de cada uno de los fotones, y si esto se ampliara a un solo fotón, tendría implicaciones en la transmisión cuántica de información, un área de interés en la actualidad.
EL PAÍS, Madrid
Desde hace ya dos décadas, de la mano de nuevas
herramientas como el omnipresente láser, los científicos han intentado
encontrarle los puntos flacos a Einstein y de paso utilizar el efecto de
que los paquetes de ondas viajen a velocidad superior a la de la luz en el
vacío (c) en aplicaciones prácticas en circuitos
electrónico-ópticos. Sin embargo, la propagación superlumínica implicaba
hasta ahora distorsionar los pulsos de luz y eso hacía muy difícil
interpretar los resultados, explica el especialista Jon Marangos, del
Imperial College en Londres.
En mayo de este mismo año, un grupo de investigadores italianos del Consejo Nacional de Investigación, en Florencia, consiguió la propagación de microondas (ondas cuya longitud de onda está en el rango de los centímetros) por el aire a distancias de un metro y a una velocidad siete veces c, pero con distorsión del impulso. Los investigadores emitieron microondas desde una antena convencional y dejaron que la radiación se reflejara en un espejo curvo hasta llegar a un detector. A pesar de su aparente simplicidad, el análisis de los resultados del experimento y su interpretación son procesos muy complejos y no hay acuerdo sobre su alcance. La mayoría de los físicos opina que este resultado no socava principios fundamentales, pero otros creen que sí porque las microondas contienen información que supuestamente se ha enviado a velocidad superior a la de la luz en el vacío.
Anedio Ranfagni, director del experimento, ha señalado que cree que plantea interrogantes todavía sin resolver sobre la posibilidad de mandar información a mayor velocidad que la de la luz.
Luz frenada
En 1999, investigadores de las universidades de Harvard y de Stanford dirigidos por la científica danesa Lene Vestergaard Hau utilizaron también láser para interactuar con una forma especial de la materia llamada condensado de Bose-Einstein y lograr frenar la luz hasta una velocidad similar a la de un cliclista (unos 60 kilómetros por hora). "Hemos conseguido una velocidad tan baja de la luz que casi podemos mandar un rayo al aparato, irnos a tomar un café y volver antes de que salga de él", declaró entonces Hau al diario The New York Times.
Según los expertos, este experimento y el aparato construido para realizarlo tendrán aplicaciones prácticas muy importantes para avanzar en el campo de la computación óptica, los conmutadores de alta velocidad, los sistemas de comunicaciones y las pantallas. En la actualidad, Hau dirige un equipo en el Instituto Rowland, en Boston, fundado por Edwin H. Land, inventor de la cámara Polaroid.