Como nos cuenta Homero, Odiseo realizó un viaje épico, contra todo pronóstico, desde Troya hasta su hogar en Ítaca. Visitó muchas tierras, pero vivió principalmente con la ninfa Calipso en su isla.
Podemos imaginar que su esposa, Penélope, le habría preguntado sobre esa época en concreto. Odiseo podría haber respondido: “No fue nada. De hecho, fue menos que nada. Cinco años negativos viví con Calipso. ¿De qué otra manera podría haber llegado a casa después de sólo diez años? Si no me crees, pregúntale”.
Resulta que las partículas cuánticas son tan astutas como Odiseo, como hemos demostrado en un experimento publicado en Physical Review Letters.
Su hora de llegada no sólo puede sugerir que vivieron con otras partículas durante un período de tiempo negativo, sino que si uno les pregunta a esas otras partículas, corroborarán la historia.
Fotones que habitan con átomos.
Nuestro experimento utilizó fotones (partículas cuánticas de luz) y el viaje contra todo pronóstico que deben emprender para atravesar una nube de átomos de rubidio.
Estos átomos tienen una “resonancia” con los fotones, lo que significa que la energía del fotón puede transferirse temporalmente a los átomos como una excitación atómica. Esto permite que el fotón “habite” en la nube atómica durante un tiempo antes de ser liberado.
Para que esta resonancia sea efectiva, el fotón debe tener una energía bien definida, que coincida con la cantidad de energía necesaria para poner un átomo de rubidio en un estado excitado.
Pero, según una forma del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg, si la energía del fotón está bien definida, entonces su sincronización debe ser incierta: el pulso de luz que ocupa el fotón debe tener una larga duración. Esto significa que no podemos saber exactamente cuándo el fotón entra en la nube, pero podemos saber en promedio cuándo entra.
Si un fotón como este se dispara hacia la nube, el resultado más probable es que su energía se transfiera a los átomos y luego se vuelva a emitir como un fotón que viaja en una dirección aleatoria. En tales casos, el fotón se dispersa y no llega a su Ítaca.
Tiempos de llegada de fotones
Pero si el fotón logra atravesarlo, sucede algo extraño.
Con base en el tiempo promedio en que el fotón ingresa a la nube, se puede calcular el tiempo promedio esperado en que llegaría al otro lado de la nube, suponiendo que viaja a la velocidad de la luz (como suelen hacer los fotones).
Lo que se descubre es que el fotón llega mucho antes. De hecho, llega tan temprano que parece haber pasado una cantidad negativa de tiempo dentro de la nube: salir, en promedio, antes de entrar.
Este efecto se conoce desde hace décadas y se observó en un experimento de 1993. Pero la mayoría de los físicos habían decidido no tomarse en serio este tiempo negativo.
Esto se debe a que se puede explicar diciendo que sólo la parte frontal del pulso de larga duración atraviesa la nube atómica, mientras que el resto se dispersa. Esto lleva a que un fotón exitoso (no disperso) llegue antes de lo que ingenuamente se esperaría.
preguntando a los atomos
Sin embargo, Aephraim Steinberg, uno de los autores de ese artículo de 1993, no se apresuró a aceptar este rechazo del tiempo negativo como un artefacto.
En su laboratorio de la Universidad de Toronto, quería descubrir qué pasaba si se interrogaban los átomos de rubidio en la nube para saber cuánto tiempo había permanecido el fotón entre ellos como excitación.
Después de un experimento inicial con resultados no concluyentes, me pidió ayuda, como teórico cuántico, para determinar qué esperar.
Cuando hablamos de consultar los átomos, lo que esto significa en la práctica es realizar mediciones continuas en los átomos mientras el fotón pasa a través de la nube, para comprobar si la energía del fotón se encuentra actualmente allí.
Pero aquí hay una sutileza: las mediciones en física cuántica inevitablemente perturban el sistema que se está midiendo.
Si hiciéramos una medición precisa de si el fotón habita en los átomos, en cada instante de tiempo, evitaríamos que los átomos interactúen con el fotón.
Es como si, simplemente observando de cerca a Calipso, pudiéramos evitar que pusiera sus manos sobre Odiseo (o viceversa). Se trata del conocido efecto cuántico Zenón, que destruiría precisamente el fenómeno que queremos estudiar.
Nuestro experimento
La solución es, en cambio, realizar una medición muy imprecisa (pero aún así calibrada con mucha precisión). Ése es el precio que se paga para que la perturbación sea insignificante.
Específicamente, disparamos un rayo láser débil (no relacionado con el pulso de un solo fotón) a través de la nube de átomos y medimos pequeños cambios en la fase de la luz del rayo para comprobar si los átomos estaban excitados.
Cualquier ejecución del experimento proporciona sólo una indicación muy aproximada de si el fotón habita en los átomos, pero un promedio de millones de ejecuciones arroja un tiempo de permanencia preciso.
Sorprendentemente, el resultado de esta débil medición del tiempo de permanencia, cuando el fotón atraviesa la nube, es exactamente igual al tiempo negativo sugerido por el tiempo medio de llegada de los fotones.
Antes de nuestro trabajo, nadie sospechaba que estos dos tiempos, medidos de maneras completamente diferentes, serían iguales.
Fundamentalmente, el valor negativo del tiempo de permanencia medido débilmente no se puede explicar imaginando que sólo pasa el frente del pulso del fotón, a diferencia del tiempo inferido del tiempo de llegada.
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Entonces, ¿qué significa todo esto? ¿Hay una máquina del tiempo a la vuelta de la esquina?
Lamentablemente, no. Nuestro experimento está completamente explicado por la física estándar.
Pero sí muestra que el tiempo de permanencia negativo no es un artefacto. Por paradójico que parezca, tiene un efecto directamente mensurable sobre la nube atómica que atraviesa el fotón.
Y nos recuerda que aún quedan terrenos por descubrir en la odisea que es la investigación cuántica.
Howard Wiseman, Director, Centro de Dinámica Cuántica, Universidad Griffith
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.