¿Podemos retroceder en el tiempo? Pregúntele a un físico experto y la respuesta será “depende”.
Abundan los planes para viajar en el tiempo retrógrado, pero normalmente implican paradojas irreconciliables y se basan en construcciones teóricas extravagantes como los agujeros de gusano (que en realidad pueden no existir). Sin embargo, cuando se trata simplemente de retroceder el reloj (similar a revolver un huevo crudo revuelto y ver cómo se vuelven a separar la yema y la clara), un subcampo rico y creciente de la física ondulatoria muestra que esa “inversión del tiempo” es posible.
Revertir el tiempo parece chocar fundamentalmente con uno de los principios más sagrados de la física, la segunda ley de la termodinámica, que esencialmente establece que el desorden (más específicamente la “entropía”) siempre está aumentando, como lo demuestra humildemente el incesante trabajo necesario para mantener las cosas en orden. Este inexorable deslizamiento hacia el desorden y la decadencia es lo que tiende a hacer imposible descifrar los huevos y lo que impulsa la flecha del tiempo en un viaje de ida a través de nuestras experiencias cotidianas. Y aunque hasta ahora no hay forma de descifrar un huevo, en ciertos escenarios cuidadosamente controlados dentro de sistemas relativamente simples, los investigadores han logrado retroceder en el tiempo.
El truco consiste en crear cierto tipo de reflejo. Primero, imagine un reflejo espacial regular, como el que se ve en un espejo de cristal con fondo plateado. Aquí se produce la reflexión porque para un rayo de luz, la plata es un medio de transmisión muy diferente al aire; el cambio repentino en las propiedades ópticas hace que la luz rebote, como una pelota de ping-pong golpeando una pared. Ahora imaginemos que en lugar de cambiar en puntos particulares del espacio, las propiedades ópticas a lo largo de la trayectoria del rayo cambian bruscamente en un momento específico en el tiempo. En lugar de retroceder en el espacio, la luz retrocedería en el tiempo, siguiendo con precisión sus huellas, como la pelota de ping-pong que regresa al jugador que la golpeó por última vez. Esta es una “reflexión del tiempo”.
Los reflejos del tiempo tienen teóricos fascinados durante décadas, pero han resultado endiabladamente difíciles de llevar a cabo en la práctica porque cambiar rápida y suficientemente las propiedades ópticas de un material no es una tarea fácil. Ahora, sin embargo, investigadores de la City University de Nueva York han demostrado un gran avance: la creación de reflejos del tiempo basados en la luz.
Para ello, el físico Andrea Alù y sus colegas idearon un “metamaterial” con propiedades ópticas ajustables que podían modificar en fracciones de nanosegundo para reducir a la mitad o duplicar la velocidad de paso de la luz. Los metamateriales tienen propiedades determinadas por sus estructuras; muchos están compuestos por conjuntos de varillas o anillos microscópicos que pueden sintonizarse para interactuar con la luz y manipularla de una manera que ningún material natural puede hacerlo. Al utilizar su poder para reflejar el tiempo, dice Alù, se revelaron algunas sorpresas. “Ahora nos estamos dando cuenta de que [time reflections] pueden ser mucho más ricos de lo que pensábamos debido a la forma en que los implementamos”, añade.
Estas propiedades estructurales también se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, en la radiante iridiscencia del ala de una mariposa. Sin embargo, retomando donde lo dejó la naturaleza, investigadores que estudian metamateriales cuentan con estructuras diseñadas que pueden hacer invisibles los objetosy las aplicaciones van desde mejores antenas y protección contra terremotos para construir computadoras basadas en luz. Ahora los científicos están cambiando las dimensiones espaciales de estas características estructurales por las temporales. “Diseñamos metamateriales para hacer cosas inusuales, y esta es una de esas cosas inusuales”, dice Nader Engheta, profesor de la Universidad de Pensilvania y pionero en física de ondas moduladas por metamateriales.
Las olas se volvieron raras
El dispositivo que desarrollaron Alù y sus colaboradores es esencialmente una guía de ondas que canaliza la luz de frecuencia de microondas. Una serie de interruptores densamente espaciados a lo largo de la guía de ondas la conecta a circuitos de condensadores, que pueden agregar o quitar dinámicamente material para que la luz lo encuentre. Esto puede cambiar radicalmente las propiedades efectivas de la guía de ondas, como la facilidad con la que deja pasar la luz. “No somos cambiando el material; somos agregando o restando material”, dice Alù. “Por eso el proceso puede ser tan rápido”.
Los reflejos del tiempo conllevan una serie de efectos contrarios a la intuición que se han predicho teóricamente pero que nunca se han demostrado con la luz. Por ejemplo, lo que está al principio de la señal original estará al final de la señal reflejada, una situación similar a mirarse en un espejo y ver la parte posterior de su cabeza. Además, mientras que una reflexión estándar altera la forma en que la luz atraviesa el espacio, una reflexión temporal altera los componentes temporales de la luz, es decir, sus frecuencias. Como resultado, en una vista reflejada en el tiempo, la parte posterior de su cabeza también tiene un color diferente. Alù y sus colegas observaron ambos efectos en el dispositivo del equipo. Juntos son prometedores para impulsar mayores avances en el procesamiento de señales y las comunicaciones, dos dominios que son vitales para el funcionamiento de, por ejemplo, su teléfono inteligente, que depende de efectos como el cambio de frecuencias.
Apenas unos meses después de desarrollar el dispositivo, Alù y sus colegas observaron un comportamiento más sorprendente cuando intentaron crear un reflejo del tiempo en esa guía de ondas mientras disparando dos rayos de luz entre sí en su interior. Normalmente, los rayos de luz que chocan se comportan como ondas, produciendo patrones de interferencia donde sus picos y valles superpuestos se suman o anulan como ondas en el agua (en interferencia “constructiva” o “destructiva”, respectivamente). Pero, de hecho, la luz puede actuar como un proyectil puntual, un fotón, así como un campo oscilante en forma de onda, es decir, tiene “dualidad onda-partícula.” Sin embargo, generalmente un escenario particular provocará claramente sólo un comportamiento u otro. Por ejemplo, ¡los rayos de luz que chocan no rebotan entre sí como bolas de billar! Pero según los experimentos de Alù y su equipo, cuando se produce una reflexión temporal, parece que sí.
Los investigadores lograron este curioso efecto controlando si las ondas en colisión interferían de manera constructiva o destructiva (si se sumaban o restaban entre sí) cuando se producía el tiempo de reflexión. Al controlar el instante específico en el que se produjo la reflexión temporal, los científicos demostraron que las dos ondas rebotan entre sí con las mismas amplitudes de onda con las que comenzaron, como bolas de billar que chocan. Alternativamente, podrían terminar con menos energía, como hacer retroceder bolas esponjosas, o incluso ganar energía, como sería el caso de las bolas en cada extremo de un resorte estirado. “Podemos hacer que estas interacciones conserven, suministren o supriman energía”, dice Alù, destacando cómo las reflexiones en el tiempo podrían proporcionar una nueva perilla de control para aplicaciones que involucran conversión de energía y configuración de pulsos, en las que la forma de una onda es cambiado para optimizar la señal de un pulso.
Descifrando la física
Los lectores que conocen bien las leyes de la física pueden estar seguros de que el dispositivo de Alù no viola los principios de la termodinámica. La guía de ondas, por ejemplo, no crea ni destruye energía, sino que simplemente la transforma eficientemente de una forma a otra: la energía ganada o perdida por las ondas proviene de la que se suma o resta para cambiar las propiedades del metamaterial. Pero ¿qué pasa con el ineludible aumento del desorden (entropía) con el tiempo, tal como lo prescribe la termodinámica? ¿Cómo es que la reflexión temporal de un rayo de luz no equivale a descomponer un huevo?
Como explica John Pendry, físico especializado en metamateriales del Imperial College de Londres, por muy extraño que pueda parecer invertir un haz de luz, es totalmente coherente con principios termodinámicos férreos. El aumento de la entropía es en realidad una cuestión de pérdida de información, afirma. Por ejemplo, si coloca a los escolares en orden alfabético, alguien sabrá exactamente dónde encontrarlos. Pero si los dejamos sueltos en el patio de recreo, habrá una gran cantidad de formas diferentes en que se podría organizar a los niños, lo que equivale a un aumento de la entropía, y se perderá la información que se tenía para localizar a cada niño. “Si [something is] reversible en el tiempo, significa que no estás generando entropía”, dice Pendry, incluso si lo parece. Volviendo a la analogía del patio de recreo, aunque los niños todavía salen corriendo a jugar, saben qué filas formar para regresar a clase cuando suena el timbre, por lo que no se genera entropía. “No se pierde la información”, dice.
La reflexión está lejos de ser el único fenómeno óptico que recibe el tratamiento en el dominio del tiempo. En abril, Pendry y un equipo de investigadores, entre ellos Riccardo Sapienza del Imperial College de Londres, demostraron una análogo en el dominio del tiempo de un experimento clásico de hace siglos que finalmente jugó un papel clave en el establecimiento de la dualidad onda-partícula de la luz. Realizado por primera vez por el físico Thomas Young en 1801, el “experimento de doble rendija” proporcionó evidencia tan irrefutable de la naturaleza ondulatoria de la luz que, ante la evidencia posterior de que la luz actúa como una partícula, los científicos sólo pudieron concluir que ambas descripciones se aplicaban. Envíe una onda a una barrera con dos rendijas, y las ondas que se abren en abanico desde una rendija interferirán con las que emanan de la otra. Con la luz, esta interferencia constructiva y destructiva aparece en una pantalla más allá de la doble rendija como múltiples franjas brillantes o “franjas”. Sapienza, Pendry y sus colegas utilizaron óxido de indio y estaño (ITO), una sustancia fotorreactiva que puede cambiar rápidamente de transparente a opaca, para producir “ranuras de tiempo”. Demostraron que un haz de luz que interactuaba con rendijas de tiempo dobles produciría un patrón de interferencia correspondiente en frecuencia, que se utilizó como análogo del tiempo, es decir, había franjas de luz brillante en diferentes frecuencias.
Según Engheta, lo que motiva los experimentos que intercambian tiempo y espacio en efectos ópticos son las “características novedosas y emocionantes que podemos encontrar en la física de la interacción luz-materia”. Y hay muchos. Pendry describe con una sonrisa cómo las exploraciones temporales de él y sus colegas con metamateriales han revelado “algunas cosas muy extrañas”, incluido lo que él llama un “compresor fotónico”. El compresor fotónico de Pendry es un metamaterial que está rayado con regiones de diferentes propiedades ópticas que afectan la velocidad a la que se propaga la luz. Las rayas son ajustables y forman una especie de “metarrelación”, y cuando esta metarelación se mueve a través del metamaterial junto con la luz, puede actuar para atrapar y reunir los fotones, comprimiéndolos de manera efectiva. Investigaciones adicionales también han revelado que este tipo de compresor fotónico comparte características con los agujeros negros, proporcionando potencialmente un análogo a escala de laboratorio más manejable para estudiar esos objetos astronómicos extremos. Habiendo desplegado una dimensión temporal completamente nueva para los metamateriales, los análogos de los agujeros negros que comprimen fotones son sólo una vía de fenómenos curiosos en los que profundizar, y las posibilidades son innumerables.
“En realidad se trata de armar una caja de herramientas”, dice Pendry, “y luego mostrársela al mundo y decir: ‘¿Qué puedes hacer con ella?'”