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En el vacío, la luz viaja siempre a una velocidad constante de 299 792 458 metros por segundo. Nada puede viajar más rápido que esta constante c, como lo indican los físicos. Estos dos postulados son componentes básicos de la física moderna y fueron anunciados por primera vez hace más de cien años por Albert Einstein.

Sí, sí, nada puede viajar más rápido que la luz, pero

Cuando la luz viaja a través de un medio que no sea el vacío, se ralentizará. Por ejemplo, cuando la luz se propaga a través del agua o el aire, lo hará a menor velocidad. Eso se debe al hecho de que la luz se dispersa de las moléculas que forman diferentes materiales. Los fotones en sí mismos no disminuyen la velocidad. Pero su paso por un medio implica absorción por parte de los electrones y reemisión. Para algunos materiales como el agua, la luz se ralentizará más que los electrones. Por lo tanto, un electrón en el agua puede viajar más rápido que la luz en el agua. Pero nada viaja más rápido que c .

Imagen: Flickr

En algunos casos, la luz lenta puede producir fenómenos físicos muy interesantes. Probablemente hayas oído hablar del estampido sónico. Un avión subsónico normal desviará el aire suavemente alrededor de sus alas. Un avión supersónico del tipo que viaja más rápido que el sonido (más de 340 m/s) en realidad se moverá mucho más rápido que el aire que disloca. El resultado es un cambio repentino de presión u onda de choque que se propaga fuera del avión en forma de cono a la velocidad del sonido.

doctor manhattan

Doctor Manhattan. Imagen: Comic Vine

La velocidad de fase de la luz en un medio con índice de refracción n es v luz = c/n . El agua tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,3, por lo que la velocidad de la luz en el agua es considerablemente menor que la velocidad de la luz en el vacío. No solo un electrón puede moverse más rápido que la luz a través de un medio diferente, otras partículas también. Si una partícula cargada viaja más rápido que la luz en un medio, se produce una radiación débil. En el agua, por ejemplo, la partícula cargada excita las moléculas de agua, que luego vuelven a su estado normal emitiendo fotones de luz azul. La luz se propaga en un cono hacia delante de la región donde tuvo lugar la interacción, de forma análoga al estampido sónico.

Este efecto, conocido como radiación de Cherenkov, fue observado por Pavel Cherenkov en 1934 como un tenue resplandor azul cuando se le pidió que observara los efectos de la radiactividad en los líquidos. Las personas que trabajan con reactores nucleares a menudo ven este brillo azul revelador. En la cultura popular, el poderoso Doctor Manhattan de la clásica novela gráfica Watchmen de lan Moore siempre está rodeado por un resplandor azul.

Esta discusión plantea la pregunta: ¿cuánto podemos ralentizar la luz?

Punto muerto

GIF: giphy.com

Si bien en realidad nunca podemos acelerar o reducir la velocidad de la luz, que siempre es una constante, los científicos han logrado manipular el tiempo que tarda la luz en viajar a través de varios medios. A temperatura ambiente, los átomos son increíblemente rápidos y se comportan como bolas de billar, rebotando entre sí cuando interactúan. A medida que bajas la temperatura (recuerda que la temperatura refleja la agitación atómica), los átomos y las moléculas se mueven más lentamente. Eventualmente, una vez que llegas a unos 0,000001 grados por encima del cero absoluto, los átomos se empaquetan tan densamente que se comportan como un superátomo, actuando al unísono. Este es el dominio de la mecánica cuántica tan preparado para muchas rarezas.

Este es en realidad un estado distinto de la materia conocido como el condensado de Bose-Einstein, que no se parece a los estados observables cotidianos como líquido, gas, sólido o plasma. BEC, para abreviar, fue predicho por primera vez en la década de 1920 por Albert Einstein y el físico indio Satyendra Bose y no fue hasta muy tarde en 1995 que los científicos pudieron producir las condiciones necesarias para que ocurriera este estado extremo de la materia.

En 1999, Lene Vestergaard Hau, profesora de la Universidad de Harvard, apuntó un rayo láser a través de una nube de átomos de sodio casi inmóviles de solo 1/125 de pulgada de largo. Primero, un haz inicial conocido como haz de acoplamiento se proyecta sobre la nube haciéndola transparente. Lo hace con una tasa extremadamente rápida de cambio del índice de refracción.

La refracción es la flexión de una onda cuando ingresa a un medio donde su velocidad es diferente. La refracción de la luz cuando pasa de un medio rápido a un medio lento desvía el rayo de luz hacia la normal al límite entre los dos medios. La cantidad de flexión depende de los índices de refracción de los dos medios y se describe cuantitativamente por la Ley de Snell, fuente: Hiperfísica .

Un segundo rayo láser, el pulso de la sonda, se dispara a través de esta nube de gas ahora transparente que tiene un índice de refracción cien billones de veces mayor que el del vidrio en la fibra óptica. Fue bajo estas condiciones que la luz se arrastró a una asombrosa velocidad de 38 millas por hora. Los caballos son más rápidos.

luz flotante

Sin dormirse en los laureles, la profesora Hau empujó el sobre hasta el último punto: detener la luz en seco. Para detener la luz por completo, los científicos utilizaron un efecto similar pero mucho más poderoso. Los investigadores enfriaron un gas de átomos de sodio atrapados magnéticamente a unas pocas millonésimas de grado de cero absoluto (-273 grados C). La configuración experimental se parecía mucho al primer intento, solo que esta vez si el equipo apagaba el láser de acoplamiento mientras el láser de la sonda aún brillaba en la nube, entonces el pulso de la sonda se detenía en seco. Si luego se vuelve a encender el haz de acoplamiento, el pulso de la sonda emerge intacto, como si hubiera estado esperando para reanudar su viaje. ¡Asombroso! Estos hallazgos fueron replicados en el mismo año (2001) por el Dr. Ronald Walsworth, del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica, Cambridge.

Los investigadores construyeron lo que llamaron una pista de carreras configurando un curso dual para disparar fotones y detectar cuándo golpeaban un detector a un metro de distancia. Los fotones de ambos grupos se lanzaron al mismo tiempo, pero los fotones sin forma superaron a los fotones con forma alterada en la línea de meta en aproximadamente un 0,001 por ciento, phys.org.

Desde entonces, se marcaron varios hitos. En 2013, un equipo de la Universidad alemana de Darmstadt detuvo por completo la luz dentro de una estructura cristalina y la mantuvo así durante un minuto completo. También usaron la trampa para almacenar y luego recuperar una imagen que constaba de tres franjas. Mostramos que puedes imprimir información compleja en tu haz de luz, dijo el investigador principal George Heinze. En 2015, investigadores de la Universidad de Glasgow encontraron una forma de reducir la velocidad de la luz que no implica pasarla por un medio. Esencialmente, alteraron su velocidad indirectamente al hacer pasar la luz a través de una máscara especial, un filtro que moldeó el haz en un haz de Gauss o Bessel.

Después de pasar a través de un medio, digamos vidrio, agua o cualquier tipo de material con el que puedas hacer un filtro, se supone que la luz vuelve a acelerar hasta su constante normal. El experimento demostró que se puede hacer que la luz viaje más despacio que c, cambiando su forma. Esto fue 0.001 por ciento más lento de lo que debería haber sido. No es tan impresionante como poner los frenos a la luz, pero sigue siendo fascinante. Tal vez la luz sea más maleable de lo que pensaban los físicos.

Hay, por supuesto, aplicaciones prácticas para estos trucos. Estos incluyen computación cuántica y aplicaciones de comunicación cuántica. Aún así, hacer este tipo de ciencia innovadora solo por el hecho de hacerlo me parece increíble.

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