En el vacío, la luz siempre viaja a una velocidad constante de 299.792.458 metros por segundo. Nada puede viajar más rápido que esta constante c, como indican los físicos. Estos dos postulados son elementos básicos de la física moderna y fueron anunciados por primera vez hace más de cien años por Albert Einstein.
Sí, nada puede viajar más rápido que la luz, pero…
Cuando la luz viaja a través de un medio distinto al vacío, se ralentiza. Por ejemplo, cuando la luz se propaga a través del agua o del aire, lo hará a menor velocidad. Esto se debe a que la luz se dispersa en las moléculas que componen los diferentes materiales. Los fotones en sí no se ralentizan. Pero su paso por un medio implica la absorción por los electrones y la reemisión. En algunos materiales, como el agua, la luz se ralentiza más que los electrones. Así, un electrón en el agua puede viajar más rápido que la luz en el agua. Pero nada viaja más rápido que c.
En algunos casos, la luz lenta puede producir algunos fenómenos físicos muy interesantes. Probablemente hayas oído hablar del boom sónico. Un avión subsónico «normal» desvía el aire suavemente alrededor de sus alas. Un avión supersónico -el que viaja más rápido que el sonido (más de 340 m/s)- se moverá realmente mucho más rápido que el aire que disloca. El resultado es un cambio repentino de presión o una onda de choque que se propaga lejos del avión en un cono a la velocidad del sonido.
Dr. Manhattan
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 sólo un electrón puede moverse más rápido que la luz a través de un medio diferente, sino también otras partículas. Si una partícula cargada viaja más rápido que la luz en un medio, se produce una débil radiación. En el agua, por ejemplo, la partícula cargada excita las moléculas de agua, que vuelven a su estado normal emitiendo fotones de luz azul. La luz se propaga en un cono hacia delante de la región donde se produjo la interacción, de forma análoga al estampido sónico.
Este efecto, conocido como radiación Cherenkov, fue observado como un débil resplandor azul por Pavel Cherenkov en 1934 cuando se le pidió que observara los efectos de la radiactividad en los líquidos. Las personas que trabajan con reactores nucleares suelen ver este revelador resplandor azul. En la cultura popular, el poderoso Doctor Manhattan de la clásica novela gráfica «Watchmen» de Ian Moore siempre está rodeado de un resplandor azul.
Esta discusión plantea la pregunta: ¿cuánto podemos ralentizar la luz?
Parada de muertos
Aunque en realidad nunca podremos 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 diversos medios. A temperatura ambiente, los átomos son increíblemente rápidos y se comportan como bolas de billar, rebotando entre sí cuando interactúan. A medida que se reduce la temperatura (recordemos que la temperatura refleja la agitación atómica), los átomos y las moléculas se mueven más lentamente. Finalmente, una vez que se llega 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, así que prepárate para un montón de 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. El 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 fueron capaces de producir las condiciones necesarias para que se produjera este estado extremo de la materia.
En 1999, Lene Vestergaard Hau, profesora de la Universidad de Harvard, dirigió un rayo láser a través de una nube de átomos de sodio casi inmóviles de sólo 1/125 pulgadas de longitud. En primer lugar, un haz inicial conocido como haz de acoplamiento se proyecta sobre la nube haciéndola transparente. Lo hace con una velocidad extremadamente rápida del cambio del índice de refracción.
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 de la fibra óptica. En estas condiciones, la luz se arrastra a la asombrosa velocidad de 38 millas por hora. Los caballos son más rápidos.
Luz flotante
No se durmió en los laureles, la profesora Hau llevó los límites hasta el punto máximo: detener la luz en su trayectoria. Para detener la luz por completo, los científicos utilizaron un efecto similar pero mucho más potente. Los investigadores enfriaron un gas de átomos de sodio atrapados magnéticamente a unas pocas millonésimas de grado del cero absoluto (-273 grados C). El montaje experimental era muy similar al del primer intento, sólo que esta vez si el equipo apagaba el láser de acoplamiento mientras el láser de la sonda seguía brillando sobre la nube, el pulso de la sonda se detenía. Si 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 descubrimientos fueron replicados ese mismo año (2001) por el Dr. Ronald Walsworth, del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, en Cambridge.
«Los investigadores construyeron lo que llamaron una pista de carreras, estableciendo un curso doble para disparar fotones y detectar cuando golpeaban un detector a un metro de distancia. Los fotones de ambos grupos se lanzaron al mismo tiempo, pero los fotones sin forma vencieron a los fotones con forma alterada hasta la línea de meta por aproximadamente un 0,001%», phys.org.
Desde entonces, se establecieron varios hitos. En 2013, un equipo de la Universidad alemana de Darmstadt puso la luz a tope dentro de una estructura cristalina y la mantuvo así durante un minuto completo. También utilizaron la trampa para almacenar y luego recuperar una imagen formada por tres franjas. «Demostramos que se puede imprimir información compleja en el haz de luz», dijo el investigador principal, George Heinze. En 2015, los investigadores de la Universidad de Glasgow encontraron una forma de reducir la velocidad de la luz que no implica hacerla pasar por un medio. Esencialmente, alteraron su velocidad de forma indirecta haciendo pasar la luz a través de una máscara especial: un filtro que daba forma al haz en un haz gaussiano o de Bessel.
Después de pasar por un medio, digamos vidrio, agua o cualquier tipo de material con el que se pueda hacer un filtro, se supone que la luz vuelve a acelerar a su constante normal. El experimento demostró que se puede hacer que la luz viaje más lento que c, cambiando su forma. Esto fue un 0,001 por ciento más lento de lo que debería. No es tan impresionante como frenar la luz, pero sigue siendo fascinante. Tal vez la luz es más maleable de lo que los físicos pensaban anteriormente.
Hay, por supuesto, aplicaciones prácticas para estos «trucos». Entre ellas, la computación cuántica y las aplicaciones de comunicación cuántica. Sin embargo, hacer este tipo de ciencia innovadora sólo por el hecho de hacerlo me parece igual de increíble.