Un rayo supera 310 veces la velocidad de la luz en un experimento en EE UU

Un pulso de luz que avanza a velocidad tan incre¨ªble que, parad¨®jicamente, se detecta a la salida de una caja de gas cesio 62 milmillon¨¦simas de segundo antes que a la entrada. ?se es el resultado de un reciente experimento, calificado de asombroso por los propios cient¨ªficos, y que hoy se publica en Nature, cuando ya ha suscitado el inter¨¦s de los investigadores. El experimento muestra que la luz en forma de paquetes o pulsos puede, en condiciones muy especiales, sobrepasar 310 veces su propio l¨ªmite de velocidad (300.000 kil¨®metros por segundo), establecido en la teor¨ªa de la relatividad especial de Einstein.

Un grupo de turistas

Uno de los experimentos imaginarios utilizados para ilustrar la teor¨ªa de la relatividad especial de Einstein es "la paradoja del abuelo", seg¨²n la cual un astronauta hace un viaje de ida y vuelta en una nave que viaja a una velocidad superior a la de la luz y llega de vuelta a la Tierra muchos a?os antes de haber partido. Viajar m¨¢s r¨¢pido que la luz implica viajar hacia atr¨¢s en el tiempo. El astronauta vuelve antes de que sus abuelos hayan concebido a su padre y mata a su abuelo. Entonces, resulta imposible su existencia. Esto, dicen los libros de texto, es precisamente el tipo de absurdo que hace imposible que cualquier cosa viaje a una velocidad superior a la de la luz en el vac¨ªo: 300.000 kil¨®metros por segundo, conocida como c.Ahora, un equipo de f¨ªsicos de Estados Unidos ha conseguido que un rayo de luz atraviese una c¨¢mara de gas a una velocidad varios centenares de veces superior a la de la luz. Se mueve tan deprisa que sale de la c¨¢mara antes de entrar.

Lijun J. Wang y su equipo, del Instituto de Investigaci¨®n NEC en Princeton (Nueva Jersey) describen hoy este resultado aparentemente absurdo en la revista Nature pero se preocupan de se?alar que no viola la teor¨ªa de la relatividad ni el principio de causalidad (que dice que la causa siempre precede al efecto). Seg¨²n explic¨® Wang (v¨¦ase EL PA?S del 7 de junio de 2000) cuando su experimento empez¨® a ser conocido: "En efecto, se puede hacer que nuestros impulsos luminosos viajen a una velocidad superior a c. Esto es una propiedad especial de la luz en s¨ª, que es diferente de un objeto conocido, como un ladrillo, ya que la luz es una onda sin masa". Seg¨²n su argumento, los pulsos superlum¨ªnicos son el resultado de mecanismos cl¨¢sicos de interferencia debidos a la la naturaleza ondulatoria de la luz y no se transmite informaci¨®n alguna (se?al) a velocidad superior a c.

El principio de causalidad es el principio que resulta amenazado en la paradoja del abuelo. La luz que parece llegar antes de partir resulta, a primera vista, una paradoja del mismo calibre. La raz¨®n de que no lo sea es bastante sutil.

Un impulso de luz puede ser considerado como cierto n¨²mero de rayos u ondas que viajan juntos, en cierto modo como un grupo de turistas. Algunos se encontrar¨¢n a la cabeza del grueso del grupo; otros se quedar¨¢n rezagados, pero el grupo como tal se mueve con una determinada velocidad de grupo. Cuando un pulso de luz se mueve por la mayor parte de los materiales su velocidad de grupo es m¨¢s peque?a que en el vac¨ªo, de la misma forma que un grupo de turistas se mueve m¨¢s despacio en un museo que en un patio donde no tiene nada que observar. El grado de deceleraci¨®n caracteriza el ¨ªndice de refracci¨®n del material.Para hacer que la luz se mueva m¨¢s deprisa de lo que lo har¨ªa en el vac¨ªo -m¨¢s deprisa que c- hay que crear un material que tenga un ¨ªndice de refracci¨®n inusual. Esto ya se ha conseguido antes de los experimentos de Wang y su equipo, mediante la utilizaci¨®n de un material que distorsiona la forma del pulso luminoso. Si volvemos a la analog¨ªa de los turistas, esto se corresponde con que muchos de ellos se unan a la cabeza del grupo, haciendo correr a los que se quedan atr¨¢s. La velocidad de grupo de un pulso as¨ª distorsionado puede exceder de c incluso si los rayos en s¨ª mismos no viajan m¨¢s deprisa que la luz.

Sin embargo, ahora, Wang ha demostrado una transmisi¨®n m¨¢s veloz que c sin distorsi¨®n del pulso de luz. En su material, un gas fr¨ªo de at¨®mos de cesio, las ondas de luz que se propagan son amplificadas en unas frecuencias por interacci¨®n con los ¨¢tomos. Esto produce extra?os efectos en el ¨ªndice de refracci¨®n del gas en las cercan¨ªas de la frecuencia de amplificaci¨®n. Para explotar este efecto sin distorsionar el pulso de luz, los cient¨ªficos tuvieron que utilizar un truco especial que consisti¨® en enviar a trav¨¦s del gas dos rayos l¨¢ser con frecuencias ligeramente diferentes. Al hacerlo, consiguieron una velocidad de grupo unas 310 veces superior a c - un incremento mucho mayor que lo visto en experimentos anteriores-.

Adem¨¢s, la velocidad de grupo fue negativa, lo que quiere decir que el pulso viaja en la direcci¨®n opuesta a las ondas individuales. Es como si al andar en un sentido, el grupo de turistas terminara movi¨¦ndose en sentido contrario, como sucede en un atasco, que se propaga hacia atr¨¢s aunque los autom¨®viles sigan movi¨¦ndose hacia adelante. Este resultado antiintuitivo es posible ¨²nicamente porque los rayos de luz, al rev¨¦s que los turistas, son ondas.

Como consecuencia, parece que el pulso sale de la c¨¢mara de gas 62 nanosegundos (milmill¨®nesimas de segundo) antes de que entre. Sin embargo, esto no viola la causalidad porque el pulso que viaja acelerado y en sentido contrario no puede mandar ninguna informaci¨®n codificada a mayor velocidad que la de la luz en el vac¨ªo y por tanto no puede tener un efecto sobre su propia causa.

Sin embargo, existe cierta discusi¨®n todav¨ªa, seg¨²n explica el especialista Jon Marangos en la misma revista, sobre cu¨¢l es la velocidad a la que de verdad se transmite informaci¨®n en un pulso de luz, y esto depende de c¨®mo se defina la informaci¨®n. En el caso de pulsos de luz formados por muy pocos fotones se podr¨ªa argumentar que la velocidad del grupo es la misma que la de cada uno de los fotones, y si esto se ampliara a un solo fot¨®n, tendr¨ªa implicaciones en la transmisi¨®n cu¨¢ntica de informaci¨®n, un ¨¢rea de inter¨¦s en la actualidad.