Visualizan la propagación hacia el pasado de pulsos ópticos superlumínicos

Dibujo20160419 Time order inversion - Observation of image pair creation and annihilation from superluminal scattering sources - Science Advances e1501691

Imagina que pudieras ver un objeto superlumínico. ¿Qué verías? Que su imagen se movería hacia el pasado. Así se ha comprobado de forma experimental en un análogo físico de la propagación más rápida que la luz en el vacío. Lo ilustra la parte derecha de esta figura (para v = c cot θ = 2,14 c, donde θ = 25 °), que hay que comparar con la propagación sublumínica mostrada en la parte izquierda (para v = c cot θ = 0,46 c, donde θ = 65 °). Aunque se confirma lo que ya sabíamos, la comprobación experimental se publica en Science Advances.

Por cierto, no ha sido fácil lograrla. Se ha usado un láser de 810 nm y una potencia de 1 W que a un ritmo de 80 MHz produce pulsos ópticos de 130 fs incidentes sobre una superficie inclinada de 50 cm × 50 cm. Las imágenes de 520 × 688 píxeles son tomadas por una cámara iCCD de alta velocidad con una resolución de 200 ps (usando un generador de retrasos con una resolución de 10 ps se puede ajustar el ritmo de toma imágenes con la frecuencia de los pulsos láser).

El artículo es Matteo Clerici, Gabriel C. Spalding, […] Daniele Faccio, «Observation of image pair creation and annihilation from superluminal scattering sources,» Science Advances 2: e1501691 (15 Apr 2016), doi: 10.1126/sciadv.1501691. Me he enterado gracias a Alfredo Carpineti, «Going Faster Than Light Could Send You «Back In Time»,» IFL Science, 18 Apr 2016.

Dibujo20160419 Image pair annihilation and creation - Observation of image pair creation and annihilation from superluminal scattering sources - Science Advances e1501691

Cuando en lugar de reflejar los pulsos ópticos en una superficie plana se usa una curva (sea cóncava o convexa) se observa un interesante efecto de creación y aniquilación de pulsos ópticos. Las propagación superlumínica en una pantalla cóncava (parte izquierda de la fitgura) da lugar a la aniquilación de dos pulsos que colisionan fusionándose en uno único. Sin embargo, en una pantalla convexa (parte derecha de la figura) se observa el efecto contrario, la creación de un par de pulsos que emergen desde un pulso único inicial. Estos efectos ópticos están asociados a la inversión de la flecha del tiempo asociada a la propagación superlumínica y no sorprenderán a quien ya haya pensado sobre ellos. Sin embargo, resulta muy curioso que se puedan observar de forma experimental.

Quienes hayan estudiado acústica puede que recuerden que estos experimentos ya fueron realizados por Lord Rayleigh hace más de un siglo. La velocidad del sonido, para las ondas sonoras, se comporta como la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, la propagación supersónica es más sencilla de lograr en un experimento de laboratorio. Los nuevos resultados ópticos son análogos a los resultados acústicos. Aunque en acústica pocos interpretan propagación supersónica como una propagación hacia atrás en el tiempo, o la reflexión en superficies curvas como la aniquilación y creación de pulsos. En este sentido el nuevo artículo en Science Advances nos permite interpretar (o verbalizar) de forma novedosa los experimentos clásicos de Rayleigh.

Dibujo20160419 Space-time diagrams - Observation of image pair creation and annihilation from superluminal scattering sources - Science Advances e1501691

Quizás conviene recordar que la luz en el vacío se mueve, valga la redundancia, a la velocidad de la luz en el vacío (c). Sin embargo, en un medio con cierto índice de refracción la velocidad de luz tiene un valor inferior a la velocidad de la luz en el vacío (v<c). Por tanto, comparando la velocidad de la luz en un medio y en el vacío (o en el aire que es casi la misma) podemos simular la propagación de señales a una velocidad superlumínica (mayor que la velocidad de la luz en un medio). Comparando los frentes de onda entre las ondas que se propagan en un medio y en el vacío (o el aire) se logra fotografiar el comportamiento de pulsos ópticos superlumínicos.

También conviene recordar que la teoría de la relatividad de Einstein prohíbe la propagación de señales (información que pueda violar la causalidad) a mayor velocidad que la luz en el vacío. Sin embargo, la velocidad de fase, la velocidad de grupo y la velocidad de la energía de pulsos ópticos puede propagarse (obviamente es un efecto aparente) a mayor velocidad que la luz en el vacío. No se viola en ningún momento la teoría de la relatividad. Recomiendo a los interesados en más detalles la lectura del famoso artículo de J. Weber, “Phase, Group, and Signal Velocity,” American Journal of Physics 22: 618-620 (1954), doi: 10.1119/1.1933858. Y para los más aguerridos  S. C. Bloch, “Eighth velocity of light,” American Journal of Physics 45: 538-549 (1977), doi: 10.1119/1.10953.



5 Comentarios

  1. «También conviene recordar que la teoría de la relatividad de Einstein prohíbe la propagación de señales (información que pueda violar la causalidad) a mayor velocidad que la luz en el vacío. »

    Una pregunta sobre ésto ¿A que se refieren exactamente con «información»? Es decir ¿De que definición de información estamos hablando? ¿La de Shanon, por ejemplo?

    Es que he oído esa afirmación muchas veces, pero, desde luego, en la formulación de la relatividad especial no hay nada que diga exactamente éso, tampoco en los libros de teoría cuántica de campos hay nada estrictamente parecido (de hecho ahí las interacciones son locales).

    Supongo que, en última instancia, se refieren a que ningún acontecimiento fuera del cono de luz puede influenciar un evento concreto, pero ¿En que punto interviene ahí la palabra «información». Me pregunto sí simplemente se refieren a éso o hay algún otro trabajo mas específico en el que se detalle mas porque se usa la palabra «información».

  2. Estimado Francis,,,soy asiduo lector de tus publicaciones,clases de divulgación y blogs,,soy solo un aprendiz y entusiasta del tratamiento que hace la física de la realidad objetiva con consenso,,,,solo tengo bases pobres en matemáticas ,,pero estoy muy interesado en tu opinión actual sobre la violación de la causalidad o retro causalidad ,así como las idéas de Feinman,o la interpretación de la simetría T sobre el viaje al pasado de las partículas cuanticas,,y si esto tiene observables en estados decoherentes o colapso de función de onda en experimentos,y ver que calidad de realidad o solo interpretación tienen para tí estas cosas,,,,,,,,,,,,,gracias.

    1. Rolando, hablaré del tema en el próximo programa de Coffee Break (que se podrá oír el jueves); en resumen mi opinión es sencilla, no existe la retrocausalidad y la mecánica cuántica no viola la causalidad en ningún caso (esto es un teorema matemático). El concepto filosófico de retrocausalidad no tiene nada que ver con la física cuántica; por supuesto, hay unos pocos físicos cuánticos que interpretan de dicha forma ciertos experimentos, pero todos los demás físicos los interpretan sin usar dicho concepto. La retrocausalidad no es necesaria para entender la física cuántica; que permita a ciertos físicos publicar artículos en ciertas revistas, y recibir cierto eco mediático, no tiene mayor relevancia. En rigor, debemos olvidar dichos artículos porque no aportan nada nuevo.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 19 abril, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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