La física cuántica es un campo donde la intuición a menudo se pone a prueba mediante conceptos que parecen desafiar la lógica más básica. Podemos citar la dualidad onda-partícula, según la cual objetos como electrones y fotones pueden comportarse a veces como partículas, a veces como ondas, dependiendo de la forma en que se observen. Las partículas pueden existir en varios estados simultáneamente gracias al principio de superposición cuántica, mientras que otras pueden encontrarse correlacionadas, cualquiera que sea la distancia que las separe, en virtud del entrelazamiento cuántico – el famoso ” acción aterradora desde la distancia » mencionado por Einstein.
Recientemente, físicos de la Universidad de Toronto añadieron un nuevo fenómeno sorprendente a este catálogo de curiosidades ya bien abastecido. En un estudio descubierto por Scientific American, observaron que los fotones que pasan a través de una nube de átomos a temperaturas muy bajas podrían salir incluso antes de entrar; en otras palabras, pueden pasar una cantidad de tiempo negativa allí. !
Una cuestión de emoción
Las bases de este trabajo se sentaron en 2017, cuando el físico Aephraim Steinberg investigaba las interacciones entre la luz y la materia. Más específicamente, estaba interesado enexcitación de átomos. Este es un fenómeno en el que un electrón en la periferia del núcleo de un átomo se mueve temporalmente a un nivel de energía más alto al absorber la energía de un fotón. Luego disipa este exceso de energía, generalmente por emitiendo un nuevo fotónrestablecer el equilibrio y volver a lo que llamamos su estado fundamental.
Para ilustrar esto, se puede visualizar una clase de estudiantes universitarios relativamente tranquila, es decir en su estado fundamental. Luego imagine que el profesor de ciencias entra al salón con los brazos llenos de material desconocido, insinuando una lección particularmente divertida. Podemos comparar esto con la llegada del fotón; esto lleva a la clase a un estado de excitación, con mayor energía que la atmósfera tranquila y estudiosa que existía antes. Ante esta situación insostenible, el profesor se ve obligado a restablecer el equilibrio. Corta esta conmoción guardando el equipo en cuestión y luego explica que está destinado a la siguiente clase; De hecho, estos estudiantes pasarán una hora haciendo ejercicios. La emoción disminuye inmediatamente y la clase muestra su decepción con una protesta colectiva que puede compararse con la emisión de un nuevo fotón.
Este fenómeno no se produce instantáneamente: hay una Breve retraso entre la excitación y el retorno al estado fundamental. lo que conduce a la emisión del nuevo fotón. Esto introduce un ligero retraso en la propagación de la luz, y fue este retraso el que el equipo de Steinberg intentó medir. El objetivo de este enfoque era determinar qué sucede con el fotón original en este escenario: ¿es irremediablemente absorbido por la materia o se transmite sin interactuar realmente con los átomos?
Steinberg y su equipo inicialmente pensaron que sería relativamente sencillo responder a esta pregunta, que él describe como ” básico » — pero resultó ser mucho más complejo de lo esperado. “ Cuanta más gente preguntamos, más nos dimos cuenta de que cada uno tenía su propia intuición o conjetura, y que en realidad no había un consenso entre los expertos. », le explica Científico americano.
Una paradoja que encendió la pólvora
Por lo tanto, el laboratorio canadiense se embarcó en una búsqueda de tres años para diseñar una prueba metodológicamente sólida, de modo que finalmente pudiera obtener una respuesta sólida. El experimento en cuestión consiste en acelerar fotones a través de una nube de átomos de rubidio a muy baja temperatura, luego medir el tiempo de excitación de estos átomos después del paso de la partícula. El equipo esperaba obtener una respuesta definitiva… pero en cambio, se encontraron con dos grandes sorpresas.
En primer lugar, observaron que el fotón en ocasiones atravesaba la nube sin sufrir ningún cambio aparente, pero dejando atrás átomos excitados, como si hubiera sido absorbido. Pero, sobre todo, cuando los fotones eran efectivamente absorbidos, parecían ser reemitido casi inmediatamente, mucho antes de que el átomo de rubidio vuelva a su estado fundamental.
Esto implica que el viaje de algunos fotones termina antes de que finalice la excitación que se supone debe dar lugar al fotón en cuestión. En otras palabras, llegan a su destino avant el momento en que se supone que deben irsey obtenemos un valor de tiempo negativo ! Volviendo al ejemplo del aula, es como si los estudiantes comenzaran a quejarse antes de saber que el profesor está a punto de asignarles ejercicios.
Superposición cuántica al rescate
Obviamente, este resultado dejó perplejos a los investigadores. Por ello, pidieron a Howard Wiseman, especialista australiano en física cuántica, que intentara encontrar un defecto en este modelo que parecía totalmente aberrante. Juntos, llegaron a la conclusión de que, estadísticamente hablando, el retraso en la propagación del fotón era perfectamente consistente con la teoría, incluso en los casos en que el fotón se reemitió antes de lo esperado. Esto tranquilizó a Steinberg y sus colegas; todo indicaba que habían no cometieron errores en sus cálculos y predicciones. Pero todavía era necesario determinar el origen de estas predicciones teóricas terriblemente contrarias a la intuición.
Por ello, el equipo puso en marcha un nuevo experimento para volver al problema de fondo: determinar si los fotones atraviesan realmente la nube sin interactuar o si son absorbidos, excitando así los átomos en cuestión antes de ser reemitidos.
Para lograrlo, el equipo puso en marcha un nuevo experimento basado en otro gran clásico de la física cuántica. Como objetos cuánticos, los fotones pueden ser propenso al fenómeno de superposición, donde los dos escenarios tienen lugar simultáneamente Y es en esta superposición donde reside la clave del problema.
« Cuando observas un fotón transmitido, no puedes determinar qué escenario es el correcto. El instrumento termina midiendo tanto un valor cero como un pequeño valor positivo. », explica Steinberg en Scientific American. Pero en algunos casos el instrumento de medición falla. “ Termina en un estado en el que no obtenemos “cero más algo positivo”, sino “cero menos algo positivo”, y luego obtenemos un valor negativo para el tiempo de excitación. “, resume.
En otras palabras, todo indica que El tiempo que los átomos han absorbido los fotones puede ser negativo en algunos casos..
No hay viajes en el tiempo… pero sí grandes promesas para la física cuántica
Por extensión, esto sugiere que los fotones se mueven más rápido en la nube cuando se detienen para excitar átomos que cuando siguen adelante sin perder tiempo interactuando.
Esta es una noción extremadamente contraintuitiva y paradójica. Sus implicaciones son difíciles de comprender. Por lo tanto, los autores consideraron necesario hacer una aclaración importante: Este fenómeno no tiene ningún impacto en nuestra comprensión del tiempo en sí.. Estos resultados no significan que los fotones estén empezando a superar la velocidad de la luz definida por la relatividad especial de Einstein, y no abren el camino a un método que permitiría retroceder en el tiempo.
Por otro lado, todo esto plantea nuevas y apasionantes preguntas sobre el comportamiento de los fotones. Estas mediciones podrían obligar a los físicos a reconsiderar las implicaciones del retraso de la luz relacionado con la absorción, excitación y reemisión de fotones, con implicaciones potencialmente muy importantes en varias disciplinas, desde la óptica tradicional hasta la física cuántica fundamental. Por lo tanto, será muy interesante seguir trabajos futuros que analicen esta noción.
El artículo de Científico americano está disponible aquí.
El texto del estudio está disponible aquí.
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