Sorpresa en la Física cuántica
El tiempo negativo existe: va hacia el pasado en vez de ir hacia el futuro
Los fotones terminan su viaje antes de recorrer un trayecto, lo que crea un valor temporal negativo
Recreación artística del tiempo negativo. / Generador de imágenes desarrollado con tecnología de DALL·E.
Eduardo Martínez de la Fe
Madrid 15 OCT 2024
Los fotones pueden salir de un material antes de haber entrado en él porque pasan una cantidad de tiempo negativo mientras atraviesan una nube de átomos. Pero no estamos hablando de viajes en el tiempo en el sentido de ciencia ficción.
Un nuevo estudio dirigido por Daniela Angulo de la Universidad de Toronto ha descubierto que los fotones, las partículas-onda de la luz, pueden parecer pasar a través de una nube de átomos en tiempo “negativo”, pareciendo efectivamente salir de un material incluso antes de entrar en él.
El estudio revela que los fotones que interactúan con una nube de átomos de rubidio ultrafríos pueden parecer pasar una cantidad de tiempo negativa en el estado excitado, un fenómeno que desafía las expectativas convencionales.
Intensa investigación
Llegar a este descubrimiento ha requerido siete años de investigación. En 2017, Aephraim Steinberg, físico de la misma universidad, y Josiah Sinclair, entonces estudiante de doctorado, comenzaron a investigar cómo la luz interactúa con la materia a través de la excitación atómica. Observaron que, cuando los fotones pasan a través de un material y son absorbidos, hacen que los electrones de los átomos salten a niveles de energía más altos.
A medida que los electrones regresan a su estado original, vuelven a emitir la energía absorbida en forma de nuevos fotones, lo que introduce un retraso. El objetivo de su investigación era medir este retraso, conocido como "retraso de grupo", y determinar si dependía de si el fotón había sido absorbido o simplemente había pasado a través.
Nueva revelación
Lo que los investigadores descubrieron en un nuevo experimento realizado en 2020 es que los fotones a veces pasan a través de los átomos sin ser absorbidos, pero que aun así los átomos entran en un estado de excitación, comportándose como si hubieran absorbido la luz.
No solo eso: cuando los fotones son absorbidos, son reemitidos casi instantáneamente, como si la luz saliera del material antes de que terminara la excitación atómica. Esto llevó al equipo a la conclusión de que los fotones podrían tener un tiempo de tránsito "negativo". Eso significa que el tiempo medido en algunos experimentos cuánticos parece que va hacia el pasado, en vez de ir al futuro.
Teoría cuántica
Para explicar este extraño comportamiento, los investigadores recurren a la teoría cuántica. En colaboración con Howard Wiseman, un físico cuántico de la Universidad Griffith, desarrollaron un marco que muestra que el tiempo que los fotones pasan como excitaciones atómicas puede variar.
En algunos casos, el tránsito del fotón a través del medio es instantáneo y, en otros, puede parecer que completa su viaje antes de que finalice la excitación atómica, lo que crea un valor temporal negativo.
Para los científicos, eso significa que los fotones que interactúan con los átomos pueden existir en superposiciones de diferentes estados, lo que significa que pueden interactuar y no interactuar con los átomos al mismo tiempo. Esta extraña superposición permite la posibilidad de una medición temporal “negativa” al observar cuánto tiempo pasan los fotones en un estado excitado.
Retraso temporal negativo
El último experimento, dirigido por Angulo y respaldado por Steinberg, cuyos resultados se han publicado ahora en ArXiv, consistió en medir la diferencia entre los fotones que eran absorbidos y los que pasaban a través de la nube sin sufrir daños.
Los resultados revelaron que los fotones viajaban más rápido cuando excitaban los átomos que cuando los dejaban intactos. Este aparente comportamiento más rápido que la luz no viola la teoría de la relatividad de Einstein, ya que ninguna información se transmite más rápido que la luz.
"Nuestras observaciones muestran que el tiempo de tránsito (negativo) es una cantidad físicamente significativa", escriben los expertos en su artículo. “Un retraso temporal negativo puede parecer paradójico”, explica Sinclair a la revista Spektrum+, “pero en este caso, es como un reloj cuántico que funciona al revés en determinadas condiciones”.
Más sorpresas
Si bien esto no altera nuestra comprensión fundamental del tiempo, demuestra una vez más que la mecánica cuántica guarda muchas sorpresas aún por descubrir, señalan los investigadores.
Los resultados de estos experimentos abren nuevas preguntas sobre cómo se comportan los fotones en medios absorbentes y desafían nuestras interpretaciones existentes sobre el retardo de grupo en óptica. Ya se conocía que una serie de partículas subatómicas parecen ir atrás en el tiempo durante instantes muy pequeños. La flecha del tiempo sería el resultado de que las partículas elementales van mucho más tiempo hacia el futuro que hacia el pasado.
Los nuevos resultados añaden aspectos fascinantes y potencialmente revolucionarios a todo lo que sabemos del mundo cuántico, pero debemos ser cuidadosos en cómo los interpretamos. No estamos hablando de viajes en el tiempo en el sentido de la ciencia ficción. Más bien, nos obligan a reconsiderar nuestra comprensión de la causalidad a nivel subatómico.
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Referencia
Experimental evidence that a photon can spend a negative amount of time in an atom cloud. Daniela Angulo et al. arXiv:2409.03680v1 [quant-ph]. DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.03680
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Fuente:
