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Parando la luz 4 febrero 2011

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, Relatividad.
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Como el post anterior era sobre la velocidad de la luz, hoy voy a hablar de otro tema que de vez en cuando sale como noticia en los periódicos: vamos a ver cómo se puede parar la luz. Bueno, en realidad vamos a ver cómo la luz puede alcanzar velocidades superiores a la de la luz y cómo hacer que sea muy lenta, incluso pararla o hacer que vaya marcha atrás.

Pero antes que nada dejar clara una cosa importante y es que un fotón no puede pararse o acelerarse y siempre se moverá a la misma velocidad: 300.000 km/s. Entonces ¿cómo es que ante dije que puede detenerse o superar esa velocidad? En realidad no puede, pero sí que yo puedo detectar que lo hace.

Te pondré un ejemplo muy sencillo para empezar a aclarar todo este embrollo: Imagina que tengo un puntero láser con el que apunto a la Luna. Jugando con él me pongo a “hacer figuras” en la Luna con ese puntero. Puedo moverlo tan rápido como quiera. De hecho si midiese a qué velocidad se desplaza el punto sobre la Luna seguramente mediría que supera la velocidad de la luz. Es más, imagina un selenita que tenga 2 detectores de luz. Yo muevo desde la Tierra el puntero de un detector a otro. ¡Ese habitante de la Luna habría detectado una señal de luz que ha viajado de un detector a otro a una velocidad superior a la de la luz!

Supongo que sabrás que nada puede superar la velocidad de la luz. Pero con lo que te estoy diciendo te surge la duda ¿se puede o no? Verás no. Si yo miro lo que pasa, ningún fotón que parte de mi puntero láser es capaz de superar la velocidad de la luz. Pero la señal que envío sí que lo hace. Ahora bien, esa señal es incapaz de transmitir información. Así pues la teoría de la relatividad es cierta porque no puedo transmitir información capaz de superar la velocidad de la luz.

¿Te has perdido con eso de la información? Te lo explico. Verás, imagina que en vez de un puntero láser tengo una manguera con agua con la que estoy haciendo el ganso dando vueltas y vueltas. El chorro de agua que lanzo es equivalente al chorro de luz que emito con mi puntero. Imagina ahora que de repente aparece mi mujer por la puerta del jardín, pero yo no la veo porque estoy de espaldas pero yo sigo dando la vuelta… Hasta que estoy frente a ella y la veo. En ese momento corto el agua para no mojarla, pero ya es tarde, por mucho que haya cortado el agua, el chorro seguirá su camino hasta mojarla. No puedo hacer nada por evitarlo por mucho que haya cortado el agua.

Igual pasa con el puntero. Por mucho que yo corte la señal para que no llegue al segundo puntero, la luz habrá salido e irremediablemente llegará a él. No puedo hacer nada por impedirlo. Si yo quisiera mandar información, tengo que controlar qué estoy haciendo. Tendría que ir cortando y encendiendo de una forma coherente y a receptor al recibir esos cortes y encendidos interpretaría esa información. Pero en este caso por mucho que yo corte la señal, al receptor le seguirá llegando luz, con lo cual no puedo transmitir información de esta forma.

Bien, una vez que has comprendido el truco para emitir señales con “velocidad superior a la de la luz”, veamos en qué consiste eso de “parar la luz”.

Como creo que ya sabrás, la luz cuando pasa por un medio, por ejemplo agua o aire, disminuye su velocidad. ¡Espera! ¿Pero no habíamos quedado en que la luz no varía su velocidad y siempre se mueve a 300.000 km/s? Efectivamente. Cuando la luz pasa por el agua o el aire, hay que tener en cuenta que hay átomos y moléculas que estorban a los fotones en su camino. Cuando un fotón topa contra un átomo o molécula, éste lo absorbe y unos cuantos nanosegundos después lo vuelve a emitir (normalmente en la misma dirección en la que le llegó). Es decir, los átomos/moléculas de un material están constantemente absorbiendo/reemitiendo los fotones de tal forma que ralentizan el paso de éstos por el medio, pero los fotones siempre se mueven a la misma velocidad: 300.000 km/s.

Cuando oyes: “la velocidad de la luz en el agua es de 229.900 km/s” ya sabes que no es que los fotones se vuelvan más perezosos en el agua, sino que están siendo absorbidos/reemitidos por las moléculas de agua.

Si yo lanzase un láser contra un vaso de agua y a la salida pusiese un detector ultra-sensible, detectaría una señal ultra-débil que me llegaría a la velocidad de la luz. Esa señal serían los fotones de ese láser que han pasado limpiamente entre las moléculas de agua sin chocar con ninguna. Justo después recibiría a el resto de fotones, los cuales parecería que han estado viajando más lentos (a 229.900 km/s).

Bien, ya tenemos un hecho: la luz en un medio se mueve más lentamente. Ahora preguntémonos otra cosa: ¿cuánto tiempo retienen los átomos a un fotón antes de reemitirlo y que siga su camino? La respuesta es: depende de la frecuencia. Es decir, unos colores avanzarán más rápidamente que otros por un medio.

Ahora mira la siguiente simulación de esta página http://gregegan.customer.netspace.net.au/APPLETS/20/20.html. Para verla necesitarás tener Java instalado.

En esta simulación tenemos un haz de luz que se mueve por un medio. En la parte de arriba tenemos los colores que representan las frecuencias en las que se descompone ese haz. Como podrás ver cada color se mueve con una velocidad distinta. Ya te dije que la velocidad de la luz aparente en el medio depende de la frecuencia.

Las líneas verticales blancas que se mueven representan la velocidad de la luz en el vacío y la señal blanca de la parte inferior representa la suma de todas las señales de la parte superior, es decir, la señal que realmente estamos detectando.

Si te paras unos segundos, verás que al poco tiempo una “superseñal” blanca pasa a toda velocidad adelantando las líneas verticales: acabas de ver cómo una señal supera la velocidad de la luz.

¿Es esto real? Por supuesto. Y perfectamente medible. De hecho muchos científicos miden este tipo de señales supralumínicas que superan la velocidad de la luz. Aquí tenéis un ejemplo donde científicos dicen que han logrado superar 310 veces la velocidad de la luz en un experimento. Como podréis haber deducido en realidad lo que han detectado es un pulso del estilo del que habéis visto en la simulación.

¿Este pulso transmite información? Pues no. De hecho en la simulación que has visto, cuando esté pasando esa “superseñal” haz click con la tecla de mayúsculas pulsada en mitad de la ventana de la simulación. Verás que lo que harás será cortar todas las señales. Sin embargo la “superseñal” sigue su camino sin despeinarse. Es igual que en el ejemplo de la Luna y el puntero láser en el que no soy capaz de transmitir información porque aunque corte la señal no soy capaz de detener la “superseñal” debido a se compone de pequeñas señales que están siguiendo su camino.

Y de hecho puedo seguir exprimiendo este fenómeno. De hecho eligiendo astutamente el medio, podría hacer todo lo contrario: reducir la velocidad del pulso de luz hasta incluso pararla… o hacerla volver hacia atrás.

Espero que hayas logrado entender este fenómeno y comprendas que detrás de las noticias científicas en medios de información general siempre hay “algo” de sensacionalismo (si has pulsado los enlaces, habrás podido incluso soltar una pequeña carcajada al leer los titulares, pero con el que más me he reído es con este)

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