SIDNEY PERKOWITZ /NAUTILUS
Se podría pensar que después de siglos estudiado la luz que no queda nada oculto, o sabemos casi todo. La ciencia ha tenido un avance tras otro en su uso, desde la iluminación hasta la comunicación, desde el examen de los micro y macrouniversos hasta el escaneo de nuestros propios cuerpos.
Entendemos que la luz es una onda electromagnética, gracias a James Clerk Maxwell, cuyas ecuaciones establecieron eso en 1865; y que también aparece como paquetes cuánticos de energía electromagnética llamados fotones, como reconoció Albert Einstein en 1905. Pero cuanto más examinamos la luz, más vemos y más aprendemos.
La visión clásica de la luz como una onda todavía produce nueva ciencia a medida que las ondas de luz interactúan con «metamateriales» artificiales; y todavía estamos explorando la luz como una partícula cuántica. Ambos enfoques brindan formas de manipular la luz que alguna vez fueron solo ciencia ficción. Aquí hay cinco maravillas recientes.
1. Doblar la luz para la invisibilidad
Los anillos mágicos de invisibilidad y las capas que aparecen en las historias de fantasía reflejan el antiguo sueño humano de ocultar cosas y personas de la vista. La invisibilidad también aparece en la ciencia ficción, como Star Trek, donde las naves espaciales hostiles se ocultan con un dispositivo de camuflaje. Esto utiliza una idea de la relatividad, que el espacio-tiempo fuertemente distorsionado hace que la luz se curve alrededor de la nave espacial como si no existiera.
Los físicos aún no saben cómo hacerlo, pero la óptica clásica de ondas de luz y rayos de luz apunta a otra solución. Vemos un objeto mientras interactúa con la luz entrante. En principio, una capa de invisibilidad podría interceptar esos rayos entrantes y doblarlos o refractarlos en sí mismo para que viajen dentro de la capa y emerjan a lo largo de sus caminos originales.
Un observador, al ver lo que parece una luz imperturbable, pensaría que no hay nada allí, al igual que el agua que fluye dividiéndose suavemente alrededor de una roca y luego recombinándose no da ninguna indicación corriente abajo de la roca. Pero para que la luz siga este camino complejo, la capa debe estar hecha de un metamaterial.
Los investigadores probaron esta idea en 2006 con una capa rígida de metamaterial, un cilindro hueco cuya pared contenía miles de pequeñas estructuras que hacían que las microondas atravesaran caminos adecuados dentro de la pared. Colocada alrededor de un objeto de metal opaco, la capa hizo que el objeto desapareciera casi por completo bajo la radiación de microondas.
Desde entonces, los investigadores han logrado que pequeños objetos inanimados y un pez, un gato y una mano desaparezcan bajo la luz visible ordinaria, pero solo desde un ángulo de visión estrecho. Otros han desarrollado una capa flexible que envuelve un objeto pequeño para hacerlo desaparecer, pero solo en una longitud de onda.
La ciencia aún no puede hacer un manto que oculte completamente a una persona en la luz ordinaria; pero la investigación sobre la invisibilidad está prosperando y nos acercamos a la maravillosa capa de Harry Potter.
2. La luz empuja y tira de las cosas
Al igual que las rocas arrojadas, los fotones transportan un impulso que transfieren a un objeto al impactar. Esta presión de radiación es la razón por la que la luz solar empuja las colas de los cometas lejos del sol y por la que puede impulsar una nave espacial.
En 2010, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) lanzó IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun, en honor a Ícaro que voló cerca del Sol en el mito). Su delgada vela de polímero del tamaño de una cancha de tenis reunió fotones solares, que colectivamente ejercieron una pequeña fuerza que aceleró constantemente a IKAROS. Después de 6 meses y 300 millones de millas, llegó al objetivo cerca de Venus sin usar combustible para la propulsión. Ahora JAXA y otras agencias espaciales están considerando misiones más largas mediante velas solares más grandes y efectivas.
Sorprendentemente, una fuente de luz también puede atraer un objeto hacia sí mismo, en contra de la dirección en que se propaga la luz. Los físicos han demostrado que dentro de un rayo láser de forma especial, el empuje hacia adelante de los fotones en una partícula está dominado por una fuerza hacia atrás debido a la propia respuesta electromagnética de la partícula. El efecto es lo suficientemente fuerte como para atraer un objeto microscópico como una célula biológica hacia el láser.
Sin embargo, en 2023, un experimento relacionado mostró que un láser de baja potencia podría atraer un objeto macroscópico comparativamente grande, de 0,2 pulgadas x 0,1 pulgadas. Este no es un poderoso «rayo tractor» de ciencia ficción que puede atraer a una nave espacial completa, pero podría proporcionar una nueva forma de tomar muestras de forma remota de la atmósfera en la Tierra y otros planetas, y fenómenos como las colas de los cometas.
3. Imágenes fantasma: imágenes en la oscuridad
Supongamos que deseamos una imagen de algo como una célula viva que podría ser cambiada o dañada por la energía de la luz que la ilumina. La imagen fantasma utiliza el fenómeno del entrelazamiento de fotones para producir una excelente imagen de un objeto apenas iluminado.
Los pares de fotones entrelazados, que se forman mediante ciertos procesos ópticos, están correlacionados cuánticamente, de modo que la medición de las propiedades de uno revela inmediatamente las propiedades del otro, sin importar cuán distantes estén.
En imágenes fantasma, uno de cada uno de un enjambre de pares de fotones entrelazados interactúa con el objeto y se encuentra con un detector que simplemente registra su llegada. Un segundo haz de los socios enredados correspondientes nunca toca el objeto sino que va directamente a un detector sensible de múltiples píxeles.
El análisis informático de las correlaciones entre los resultados de los dos detectores crea una imagen de alta calidad del objeto, incluso con una iluminación débil. Este enfoque tiene usos tales como convertir imágenes tomadas de forma encubierta por luz infrarroja invisible en imágenes visibles detectadas por una cámara de alta resolución u obtener imágenes de rayos X de buena calidad de un paciente expuesto a una dosis de rayos X baja y relativamente segura.
4. Rendijas cuánticas en el tiempo
En el famoso experimento de la doble rendija, realizado por primera vez en 1801, un haz de luz se divide al atravesar dos rendijas estrechas en una barrera opaca. En el lado opuesto, los rayos se extienden y superponen para formar un patrón de áreas brillantes y oscuras en una pantalla, lo que demuestra que la luz consiste en ondas que pueden interferir entre sí.
Pero una versión moderna del experimento en la que solo un fotón a la vez se dirige a las rendijas todavía produce un patrón de interferencia similar a una onda. Según Richard Feynman, este sorprendente ejemplo aún sin explicación de la dualidad onda-partícula «tiene en sí el corazón de la mecánica cuántica… contiene el único misterio».
Ahora, los físicos han reproducido este experimento con rendijas en el tiempo en lugar del espacio. Utilizaron una película delgada de óxido de indio y estaño (ITO), que es transparente a la luz infrarroja pero se vuelve rápidamente reflectante en 10 a 15 segundos cuando se excita con un láser.
En el experimento, los investigadores dispararon luz infrarroja al ITO. Cuando el ITO se convirtió en un espejo por un corto tiempo, la luz infrarroja reflejada permaneció en su forma original. Pero cuando el espejo ITO se encendió y apagó brevemente dos veces en rápida sucesión, la luz infrarroja reflejada mostró definitivamente que había interferido consigo misma como resultado de atravesar no uno sino dos portales o rendijas del tiempo.
Un observador ha comentado que este trabajo podría convertirse en un clásico como el experimento original de doble rendija. Al extender eso al tiempo en lugar del espacio, la investigación ofrece una nueva forma de explorar «el único misterio». El trabajo también muestra la viabilidad de usar metamateriales como ITO para controlar la luz en sistemas ópticos y computadoras cuánticas a velocidades ultrarrápidas.
5. Adelantar la luz en una bicicleta
Si hay un hecho físico que la gente sabe, es que la luz es la cosa más rápida del universo, viaja a 300. 000 km/s en el vacío. La velocidad se reduce un poco cuando la luz interactúa con la materia ordinaria, cayendo, por ejemplo, a 124 000 millas por segundo en fibra óptica y vidrio simple. Esto todavía es lo suficientemente rápido como para dar la vuelta a la Tierra en una fracción de segundo. Fue una gran noticia en 1999, que la investigadora de Harvard, Lene Hau redujera enormemente la velocidad de la luz a la escala humana de 38 mph, que un ciclista en forma podría igualar.
Lo logró en un medio exótico, un gas denso de átomos de sodio enfriado hasta casi el cero absoluto. El resultado fue un medio cuántico llamado condensado de Bose-Einstein. La luz interactúa con esto con más fuerza que con cualquier otro medio ordinario, por lo que se ralentizó enormemente. Más tarde, Hau superó este logro al hacer que la luz se detuviera con un chirrido, luego la recuperó y la envió por su camino.
Estos avances en la física fundamental también podrían ser útiles, excepto por la necesidad de trabajar a temperaturas cercanas al cero absoluto. Pero desde el trabajo original, otros investigadores han ralentizado la luz en gases y sólidos a temperatura ambiente, lo que hace posible utilizar la luz ralentizada y detenida en dispositivos prácticos.
Estos se están desarrollando actualmente, por ejemplo, para sincronizar señales en redes de fibra óptica y para almacenar datos digitales en computadoras. Ambas aplicaciones son pasos importantes hacia el desarrollo de redes de telecomunicaciones avanzadas y computadoras cuánticas basadas completamente en chips electrónicos ligeros en lugar de convencionales.
Sidney Perkowitz es profesor emérito de física Charles Howard Candler en la Universidad de Emory. Sus últimos libros son A Short Introduction to Physics y Science Sketches: the Universe from Different Angles.
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