Logran ralentizar la velocidad de haces de luz en el vacío

Hace mucho tiempo que los científicos saben la velocidad de la luz puede ser reducida ligeramente mientras circula a través de materiales como el agua o el cristal. Sin embargo, se pensaba que no era posible para las partículas de luz, los fotones, cuando viajaban a través del espacio vacío sin obstáculos ni interacciones con ningún material. En un nuevo trabajo publicado Science Express, investigadores de la Universidad de Glasgow han descrito cómo lograron ralentizar a los fotones en el espacio vacío por primera vez. Demostraron que aplicando una máscara a un haz de luz para dar a los grupos de fotones una estructura espacial determinada, es posible reducir su velocidad

Este equipo comparó un rayo de luz que contiene muchos fotones con un equipo de ciclistas que comparten el trabajo por turnos para ponerse al frente. Aunque el grupo como unidad viaja a una velocidad, la velocidad de los ciclistas individuales puede variar mientras cambian de posición para tomar relevos. La formación en grupo puede hacer más difícil definir una única velocidad para todos los ciclistas, y lo mismo se aplica a la luz. Un pulso de luz contiene varios fotones y los científicos saben que los pulsos de luz se caracterizan por circular a una cantidad de velocidades diferentes.

El experimento de este equipo estaba configurado como una carrera contra reloj de equipos con dos fotones liberados simultáneamente a idéntica distancia de una determinada línea de meta. Los investigadores hallaron que un fotón alcanzaba la meta como estaba previsto pero el fotón modificado, afectado por la máscara, llegaba más tarde, lo que significa que estaba viajando más lento por el espacio vacío. En una distancia de un metro el equipo midió una ralentización de hasta 20 longitudes de onda, varias veces mayor que la precisión de la propia medición.

El trabajo demuestra que después de pasar el rayo de luz a través de una máscara, los fotones se mueven más lento a través del espacio. Esto es muy distinto del efecto de ralentización al pasar la luz a través de un medio como el agua o el cristal, donde la luz sólo es ralentizada durante el transcurso del recorrido por el material, y recobra la velocidad de la luz al salir por el otro lado. El efecto de pasar la luz a través de la máscara resulta en limitar de forma permanente la velocidad máxima a la que los fotones pueden viajar.

El trabajo fue realizado por un equipo de la Universidad de Glasgow liderado por el profesor Miles Padgett, trabajando con el físico teórico Stephen Barnett y con Daniele Faccio de la Universidad Heriot-Watt.

Daniel Giovannini, uno de los autores principales del estudio, dijo: “El retraso que hemos introducido en el fotón estructurado es pequeño, medido en varios micrómetros sobre una distancia de propagación de un metro, pero es significante. Hemos medido efectos similares en dos tipos diferentes de rayos conocidos como haces Bessel y haces Gaussianos”.

Jacquiline Romero, coautora del estudio, dijo “Hemos conseguido este efecto de ralentización con algunos principios ópticos sutiles, pero ampliamente conocidos. Este descubrimiento muestra sin ambigüedad que la propagación de la luz puede ser reducida por debajo de la cifra comúnmente aceptada de 299.792 kilómetros por segundo incluso cuando viaja a través del aire o en el vacío”.

El profesor Padgett añadió “Puede parecer sorprendente que se haga viajar a la luz más lento de esta manera, pero el efecto tiene una sólida base teórica y confiamos en que nuestras observaciones sean correctas. Los resultados nos dan una nueva manera de pensar acerca de las propiedades de la luz y estamos dispuestos a continuar explorando el potencial de este descubrimiento en futuras aplicaciones. Esperamos que el efecto sea aplicable a cualquier teoría de ondas, de modo que se podría aplicar una ralentización similar a las ondas de sonido, por ejemplo”.

 

 

Aclaraciones muy necesarias

Para las personas que hablan a la ligera de la luz y del concepto de velocidad de la luz, el nuevo trabajo publicado en Science puede resultarles paradójico. Mucha gente olvida que la velocidad de luz en un medio puede ser menor que la velocidad de la luz en el vacío, la velocidad de los fotones individuales. Y también olvidan fácilmente que la velocidad de un pulso de luz, o de un haz de luz, incluso en el vacío (en el espacio libre), puede ser menor que la velocidad de un fotón individual. El cálculo matemático es sencillo y cualquier físico puede realizarlo sin problemas. Pero poner palabras a los cálculos matemáticos no siempre es fácil y muchas veces se olvidan los adjetivos que requiere una descripción rigurosa de los conceptos físicos usados. Resulta pesado repetir los adjetivos una y otra vez, por lo que muchos expertos los omiten; el contexto determina de forma unívoca estos adjetivos y el experto logra la brevedad que exige un artículo científico. Pero los legos caen en la trampa, sobre todo cuando extraen fuera de su contexto frases literales de dichos artículos.

Y no sólo los legos se confunden, también muchos físicos que no han estudiado en su carrera los haces de luz con estructura espacial transversal. Muchos físicos estudian la diferencia entre velocidad de fase, velocidad de grupo, velocidad de la energía, velocidad de la señal, etcétera, en haces de luz confinados en guías ópticas. En estos medios con índice de refracción mayor de la unidad (el del vacío) es muy fácil entender estos conceptos. Sin embargo, quienes trabajan en óptica física y quienes trabajamos en propagación de ondas sabemos que estas diferentes velocidades también se aplican a los haces de luz con estructura espacial transversal en el espacio vacío. Ello no quita mérito al nuevo trabajo experimental. Forzar en laboratorio que la diferencia entre estas velocidades para un haz de Bessel sea medible no es fácil y requiere un esquema experimental adecuado. Por ello este nuevo trabajo se ha publicado en una revista tan prestigiosa como Science, en lugar de Optics Letters o Physical Review Letters, por ejemplo.

En resumen, si te dicen que el nuevo trabajo demuestra que un fotón en el vacío se mueve a una velocidad inferior a la velocidad de la luz en el vacío te están engañando. Te deben decir que se ha demostrado que parejas de fotones en un haz de Bessel o en un haz gaussiano se mueven en el vacío con una velocidad de grupo menor que la velocidad de la luz en el vacío. La diferencia parece sutil pues depende de los adjetivos usados. Pero en este caso, como en todos los casos, los adjetivos son imprescindibles.

Fuente: Sólo Ciencia, Naukas: La Ciencia de la Mula Francis, Heriot Watt University, University of Glasgow y otros sitios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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