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La luz puede viajar hacia atrás y superar su propia velocidad

Un nuevo experimento con láser desconcierta a los físicos


Un experimento realizado por científicos norteamericanos muestra que la luz puede, no sólo superar su velocidad natural, sino propagarse hacia atrás como con una velocidad negativa, lo que puede suponer un nuevo paso en la mejora de las comunicaciones por fibra óptica e incluso de la tecnología informática. El experimento ha consistido en introducir una señal lumínica láser a través de una fibra óptica a la que se había añadido un elemento químico denominado erbio. Paradójicamente, el pulso de luz salía por el extremo opuesto de la fibra antes de haber entrado en ella por completo, como si recorrer su longitud no tomase ningún tiempo. Todo es muy extraño, pero es así como funciona el mundo, dice su descubridor, Robert Boyd. Por Mario Toboso.





Boyd y la onda de luz. Rochester University.
Boyd y la onda de luz. Rochester University.
Boyd y la onda de luz. Rochester University.
Boyd y la onda de luz. Rochester University.
En los últimos años, los científicos han hallado formas de alterar la velocidad natural de la luz en el vacío, haciendo que ésta viaje más deprisa o más despacio, según diversas condiciones de propagación.

Ahora, un equipo de investigadores de la universidad estadounidense de Rochester ha conseguido, además, que un pulso de luz viaje en sentido contrario a su propagación, como si se desplazase con una velocidad negativa, según informa dicha universidad en un comunicado.

Robert Boyd, director de la investigación y profesor de óptica de la universidad de Rochester, señala que ya se sabía, teóricamente, que la luz podía propagarse con una velocidad negativa, pero nadie estaba totalmente seguro de que la teoría tuviese sentido
físico y pudiese ser puesta a prueba en el laboratorio.

Boyd y su equipo han mostrado que esta velocidad negativa de la luz, considerada generalmente como una rareza matemática, es un fenómeno más del mundo real, según los resultados de su investigación, publicados en la revista Science.

El pulso luminoso que viaja con velocidad negativa sorprende, además, por otra característica: se desplaza más rápidamente que la luz en el vacío, una observación que parece contradecir el postulado establecido por Einstein de que nada puede superar dicha velocidad.

La clave está en el “medio”

El “misterio” de la velocidad negativa de propagación del pulso luminoso tiene que ver con un fenómeno óptico denominado “dispersión anómala” de la luz. En el vacío la luz se propaga a su velocidad natural (300.000 km/seg), independientemente de su frecuencia. Pero cuando se propaga en un medio material (aire, agua, vidrio, etc.) esto ya no es así. Aparece el fenómeno de dispersión de la luz por las características particulares del medio.

Es popular el ejemplo de la luz blanca dispersada por un prisma de vidrio en sus diversas componentes cromáticas (los colores del arco iris), tal y como lo mostró Newton en el siglo XVII. A cada frecuencia corresponde un índice de refracción, de ahí que la luz correspondiente a frecuencias diferentes (colores distintos) se desvíe de la dirección inicial en ángulos diversos.

Un pulso de luz blanca contiene las frecuencias propias de los diferentes colores en los que se dispersa. En un medio material (como el vidrio) cada color se propaga a una velocidad particular denominada velocidad de fase. La velocidad del pulso de luz blanca en el que se combinan los colores es la velocidad de grupo.

La dispersión de la luz se dice “normal” si a medida que aumenta su frecuencia aumenta igualmente el índice de refracción del material. Es anómala si el índice de refracción disminuye al aumentar la frecuencia.

En determinadas condiciones y medios materiales puede darse el caso de que el índice de refracción decaiga tan abruptamente que la velocidad de grupo del pulso luminoso no sólo supere su valor natural en el vacío, sino que se vuelva negativa, tal y como sucede entre otros casos en el experimento de Boyd.

Entradas y salidas casi simultáneas

Para realizar su experimento, el equipo de Boyd utilizó un láser lanzado a través de pulsos luminosos al interior de una fibra óptica a la que se había añadido un elemento químico denominado erbio. La luz del láser se dividió en dos haces: uno de ellos penetró en la fibra óptica y el otro haz “de referencia” se propagó fuera de ella, sin dispersión.

De manera paradójica, el pulso que viajó en el interior de la fibra alcanzó el extremo final de la misma antes de haber entrado totalmente en ella, e incluso antes de que el pulso de referencia llegase al mismo extremo.

En una serie de experimentos posteriores, Boyd comprobó que este efecto se debía a que el pulso de luz dentro de la fibra se estaba moviendo “hacia atrás” con velocidad de grupo negativa, solapando prácticamente la entrada y la salida de la fibra, como si en su interior no hubiese espacio que recorrer ni se requiriese tiempo para ello.

La parte delantera del pulso porta información acerca de sus características y entra en la fibra en primer lugar. Resulta que, antes de que su parte media haya también entrado, su parte delantera ya está asomando por el extremo de salida. Es como si a partir de la información de la parte delantera del pulso, la fibra lo “reconstruyese” y enviase una versión a su extremo de salida, y otra hacia atrás, hacia su extremo de entrada.

Para descubrir si el pulso realmente estaba viajando hacia atrás con velocidad de grupo negativa dentro de la fibra, Boyd y su equipo la seccionaron en partes de varios centímetros y volvieron a medir cuando el pulso salía de cada una de las secciones. Ordenando los datos en una secuencia temporal, Boyd ha comprobado por primera vez el comportamiento reversible de la luz en el interior de una fibra óptica.

No hay conflicto con la relatividad

El hecho de que la velocidad de grupo del pulso luminoso pueda ser mayor que la velocidad de la luz en el vacío no supone un conflicto con el enunciado de la relatividad de Einstein que afirma que nada puede superar el valor de esta última, pues por “nada” debemos entender en este enunciado “nada que transmita información”.

Este no es el caso de la velocidad de grupo, que resulta de la mera combinación, de la puesta en fase o desfase, de las distintas frecuencias que componen la luz. En este sentido puede considerarse la velocidad de grupo como un artificio matemático que recoge la naturaleza de dicha combinación.

Se ha sugerido que la verdadera velocidad a la que la información es transportada por un pulso de luz debería definirse como la velocidad de propagación de un pulso sin parte frontal (en forma de escalón que se ha comprobado que no excede el valor de la velocidad de la luz en el vacío.

El siguiente paso que pretende dar el equipo de Boyd va precisamente en este sentido. Se plantean repetir su experimento eliminando la parte frontal de los pulsos de luz. En este caso la teoría prohíbe cualquier propagación a velocidades mayores que la de la luz en el vacío, de manera que todos los fenómenos hallados en el experimento que empleaba pulsos de luz con parte frontal deberían desaparecer.

Cómo funciona la luz

¿Cómo puede manipularse la velocidad de la luz? Para comprenderlo, pensemos en uno de esos espejos en que nos vemos más gordos de lo que somos. A medida que caminamos hacia el espejo, vemos nuestro cuerpo sin distorsión; pero si nuestra imagen entra en la parte curvada que hay en el centro del cristal, se estira inmediatamente y parece saltar hacia ambos lados del espejo, provocando el efecto de engordar nuestra imagen de referencia anterior. De la misma manera, un pulso de luz que entra en un medio material puede estirarse y llegar a salir por el extremo opuesto del material.

Al contrario, si el espejo es de los que nos hacen parecer más delgados, nuestra imagen, en lugar de estirarse hacia ambos lados, se comprimirá al entrar en la parte curvada del cristal. De manera similar, un pulso de luz que entra en un medio material puede contraerse y ralentizar su llegada al extremo opuesto.

Para poder visualizar la propagación del pulso luminoso con velocidad negativa imaginemos una gran pantalla de televisión y una cámara de vídeo, como en el escaparate de algunas tiendas de electrónica. Cuando pasamos delante del escaparate nuestra imagen aparece en un extremo de la pantalla, parece caminar hacia nosotros, nos pasa y continúa moviéndose hacia el extremo opuesto. Un pulso de luz con velocidad negativa se comporta de manera similar: según entra en el material, un segundo pulso aparece en el otro extremo y avanza “retrocediendo” hacia el primero.

De esta manera, el pulso de luz que entra en la fibra óptica alcanza el extremo opuesto casi instantáneamente, con una velocidad de grupo mayor que la velocidad de la luz en el vacío. Volviendo al símil de la televisión, sería como si la imagen que camina hacia nosotros, dejase un clon (suyo, nuestro) en el punto de partida. Ese clon caminaría igual que nosotros, pero varios pasos por delante.

“Reconozco que todo esto es muy extraño”, declaró Boyd a la Universidad de Rochester, “pero es así como funciona el mundo”. Su experimento puede suponer un avance en la mejora de las comunicaciones a través de fibra óptica e incluso de la tecnología informática.





Mario Toboso es Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad de Salamanca y miembro de la Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión de la Universidad Pontificia Comillas. Editor del Blog Tempus de Tendencias21 y miembro del Consejo Editorial de nuestra revista. Este artículo se ha elaborado con la colaboración de Yaiza Martínez.




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Miércoles, 17 de Mayo 2006
Mario Toboso
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Nota



Comente este artículo

1.Publicado por Se transporta un bit el 21/05/2006 15:54
Un pulso de luz... ¿no es ya un bit de información? ¿No será que en realidad la cola del pulso lleva información de cómo es el pulso y simplemente se reconstruye? Así parecería que llega antes.

2.Publicado por Gonzalez el 26/05/2006 16:45
Me parece muy acertado el comentario de “se transporta un bit” y que nos dice: “Un pulso de luz... ¿no es ya un bit de información? ¿No será que en realidad la cola del pulso lleva información de cómo es el pulso y simplemente se reconstruye? Así parecería que llega antes”. Y la razón de por qué su comentario es acertado es muy simple: el cuanto de luz, el fotón – que es un continuo, entrelazado y simétrico bosón – es la complejamente coordenada (de ahí su configuración como entrelazado bit si-no de información) imagen especular de si mismo, lo que implicaría que su luz se mantenga en un cuasi instantáneo ir-venir entre su(s) estados inicial-final pero entendidos como sus propios y UNITARIOS limites especulares que se dan al 0.99999….∞ de C= 1. La afirmación que acabo de hacer tiene su fundamento en un aspecto quizás no muy conocido de la que se denominaría Intrínseca Teoría de los Números del Sistema de Numeración Decimal, de amplísima aplicación a una gran mayoría de fenómenos naturales, incluidos en ellos el HOMBRE. Veamos un claro ejemplo.Nos informa William R. Corliss en su libro: Los Misterios del Universo Minerva-Doubleday, Compañía General de Ediciones. México D.F. 1973, página 53. “La Relatividad Especial predice que los electrones serán más y más difíciles de acelerar a medida que se acerquen a la velocidad de la luz debido al incremento de su masa. La creciente pesadez de los electrones en los aceleradores es un hecho bien conocido. No importa que tanta fuerza se aplique, los electrones se hacen mucho más difíciles de acelerar. Al 99% de la velocidad de la luz, un electrón se comporta como si su masa se hubiera incrementado siete veces. Para el físico que trata de acelerarlos, este incremento de la masa es real - y decepcionante a la vez -. La Relatividad Especial se confirma claramente por este hecho experimental especifico”. Entendiendo con otras palabras a la cita de Corliss podríamos decir entonces que el número 7 es también el responsable UNIFICAR a las teorías cuántica y de la relatividad de Einstein, al simultáneamente cuantificar, tanto a la masa inicial del electrón, como de limitar el relativista incremento de dicha masa con la velocidad, pero ambas cosas dentro de un “campo universal” cuya TOTALIDAD está limitada por la UNIDAD cuando, al 0.999999... ∞ de la velocidad de la luz C=1, la masa inicial del electrón solo puede incrementarse 7 veces, dado que a esa velocidad ya se ha iniciado un proceso asintótico no lineal que exigiría una energía casi infinita para conseguir que infinitesimales aumentos en la velocidad del electrón, obtengan colosales aumentos en su masa. Este planteamiento significa que si a la asintótica velocidad 0.999999... ∞ de la velocidad C=1 de la luz la dividimos por 7, obtendremos la masa-energía inicial del electrón dentro de su propio campo universal limitado por la UNIDAD pero entendida como: 1 = [(x/x=1) – 0.0000....(infinitos ceros)1] = 0.9999...(infinitos nueves), que lo TOTALIZA: [0.999999...(infinitos nueves)] /7 = 0.142857..142857...(infinitos ciclos) = 1/7Luego la operación: 1/7=0.142857..142857.... es decir, los infinitos ciclos 142857 que cuantifican el estado másico inicial del electrón, puede(n), cada uno, desarrollar su(s) propia(s) matriz(ces) numérica(s) así, (de acuerdo a lo planteado se toma como representativo del Infinito a un solo ciclo 142857): Límite-----------------0/7 = --------- 0 ------- Estado inicial---------1/7 = 0.142 857 2/7 = 0.285 714 3/7 = 0.428 571 4/7 = 0.571 428 5/7 = 0.714 285 Estado final-----------6/7 = 0.857 142 Límite:---------------- 7/7 = 0.999 999 Límite:---------------- 7/7 = -------- 1 ------- Constantes-------------------- 143 ---- 143-- y 143 = 11×13Desafortunadamente el medio web parece que no permite la impresión de las líneas vertical u ordenada y horizontal o abscisa, que grafican - en blanco - la muy sui generis coordenación cartesiana compleja con la que la matriz numérica se nos presenta como una TOTALIDAD que UNIFICA a todos los estados cuánticos comprendidos entre los estados cuanticos 1/7 inicial-final 6/7, así: 1/7+6/7= 7/7= 1 2/7+5/7= 7/7= 1 3/7+4/7= 7/7= 1Obsérvense en la matriz numérica que ha inducido 1/7= 142857, las dos constantes que con un valor de 143, bajan y suben a derecha e izquierda respectivamente, Los factores primos constitutivos de 143 son 11 y 13 y ambos están incluidos en la UNIDAD 999999 que TOTALIZA a la matriz: 999999= (3.3.3).7.11.13.37.Hay infinita tela para cortar, pero desafortunadamente no hay (¿literalmente? ni tiempo ni espacio para hacerlo.


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