Mario Toboso 
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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