Respuestas (LVI): ¿Se puede ralentizar un rayo de luz?

David Orellana me ha enviado este vídeo por e-mail en el que aparece grabado, por primera vez, un pulso de láser propagándose por el aire.

El vídeo le ha suscitado una pregunta: ¿Sería posible variar la velocidad a la que se mueve un rayo de luz?

Y la respuesta es… Que necesitamos contexto primero.

La luz se desplaza siempre a una velocidad constante, aunque distinta según el medio que esté atravesando. En el vacío, donde no hay materia que ofrezca resistencia a su movimiento, la luz se propaga a su velocidad máxima de 299.792 kilómetros por segundo.

Cuando un haz de luz atraviesa un pedazo de materia transparente (como el agua, el aire o el vidrio) entra en juego una propiedad del material llamada índice de refracción, que determina qué ángulo se desvía la luz al introducirse en el nuevo medio y cuánto se ralentiza debido a la resistencia que éste opone. Cuanto mayor es el índice de refracción un material, más despacio se propagará el rayo de luz a través de él y mayor será la desviación que sufrirá.

(Fuente)

Sabiendo esto, queda claro que sí que podemos regular la velocidad de un rayo de luz si lo obligamos a pasar a través de otro medio con un índice de refracción mayor. Veamos unos cuantos ejemplos.

En la atmósfera, con un índice de refracción de 1.0003, la luz se desplaza a 299.700 kilómetros por segundo, 92 kilómetros por segundo más despacio que en el vacío. A medida que aumenta el índice de refracción del material, disminuye la velocidad de la luz que lo atraviesa. En el agua, con un índice de 1.33, la luz se desplaza a 225.400 km/s. Su velocidad a través de un cristal de sal (1.516) es de 197.750 km/s y baja hasta los 123.880 km/s a través del diamante (2.42).

La luz sólo mantiene esta velocidad reducida mientras se desplaza por el interior del medio con el índice de refracción más alto. Cuando la luz sale otra vez al exterior, recupera automáticamente su velocidad anterior. Por ejemplo, en un vaso de agua:

Como podéis ver, a la famosa frase nada puede viajar más rápido que la luz, le falta un matiz extra. La expresión correcta sería: nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío porque, de hecho, sí que hay partículas que se pueden desplazar más deprisa que la luz en otros medios, lo que provoca un efecto curioso.

Al atravesar un material que la ralentiza lo suficiente, la luz puede ser “adelantada” por otras partículas que se desplazan más rápido. Entonces, igual que las ondas sonoras se apilan frente a un coche en movimiento y percibimos los sonidos más agudos, estas partículas más veloces aplastan la luz a su paso y reducen su longitud de onda. Como había comentado en esta otra entrada, la reducción de la longitud de onda se traduce en que la luz adopta un color azulado.

Por tanto, una partícula “rápida” deja un brillo azulado a su paso cuando atraviesa un medio inundado por luz “lenta”. Este fenómeno, llamado radiación de Cherenkov, se puede observar en las piscinas de agua de los reactores nucleares, atravesadas de manera constante por partículas alfa.

Núcleo del Advanced Test Reactor en Idaho. (Fuente)

Sí, vale, muy bien, pero, entonces, ¿cuál es el material que más ralentizaría un rayo de luz? ¿Podría detener la luz por completo?

El germanio, con un índice de refracción de entre 4.01 y 4.05, es el elemento con el índice de refracción más alto. A través de cristales hechos con este elemento, la luz se desplaza a una cuarta parte de su velocidad en el vacío, lo que equivale a unos 74.022 km/s.

¿Cómo que una lente? ¡Pero si eso es un espejo! 

En este caso, los cristales de germanio son transparentes únicamente a la luz infrarroja (de ahí su uso en cámaras infrarrojas). Si nuestros ojos detectaran sólo luz infrarroja, veríamos a través de él como si se tratara de un cristal normal. A lo mejor este tema daría para otra entrada.

Pero el germanio no es el material con un mayor índice de refracción. Gracias a los nuevos avances tecnológicos, somos capaces de crear materiales artificiales capaces de hacer algo más que reducir la velocidad de un rayo de luz de 299.792 km/s a 74.022 km/s.

Por ejemplo, en 2011 un grupo de investigadores coreanos desarrolló un metamaterial con un índice de refracción de 38.6. Esto significa que la luz se desplaza a través de él 7.766 kilómetros por segundo, 38.6 veces más despacio que en el vacío.

Este material está compuesto por una matriz creada a partir de pedazos de oro o aluminio en forma de “I” de 60 micrómetros (milésimas de milímetro) de longitud.

Algo de este estilo. Crédito: Yushin Kim.

Pero esos 7.766 km/s siguen siendo una magnitud demasiado grande como para que nuestros sentidos lo aprecien. A esas velocidades, ni siquiera nos daríamos cuenta de que la luz de nuestras bombillas está moviéndose casi 40 veces más despacio.

Pero eso puede cambiar si usamos estados de la materia exóticos, mediante los cuales podemos ralentizar la luz a velocidades cotidianas.

Vale, pero y s…. Espera, ¿qué?

Estamos familiarizados con los tres estados básicos de la materia (sólido, líquido y gas) porque, por suerte, en nuestro día a día no nos topamos con temperaturas y presiones extremas. Podemos añadir el plasma a esta corta lista como cuarto estado de la materia porque está a nuestro dentro de las bombillas fluorescentes, que aprovechan que el plasma no es más que gas eléctricamente cargado y, por tanto, un buen conductor eléctrico.

Pues resulta que, aparte de estos cuatro, hay un montón de estados de la materia más, pero se producen en condiciones tan diferentes a las que podemos encontrar en la superficie de la Tierra que sólo podemos recrear algunos de ellos en laboratorios. De entre todos ellos, el que se considera el “quinto” estado de la materia es el llamado condensado de Bose-Einstein.

En este estado, que tiene lugar cuando algunos materiales se enfrían hasta temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.15ºC o 0 K), todos los átomos que componen un material están en el mismo nivel de energía y, por tanto, empiezan a comportarse todos como la misma entidad.

Esta no es la definición más precisa. Hablar de temas complicados como este, en el que entra en juego algo tan loco como la mecánica cuántica, requeriría una entrada entera. Hay físicos que describen el comportamiento de un montón de átomos en estado de condensado Bose-Einstein como un sólo súper átomo aunque, como ya digo, no nos podemos basar sólo en esta frase para entender el concepto porque la realidad es mucho más compleja.

Pero, bueno, de momento sólo nos importa qué pasa con la luz cuando pasa a través de este estado extraño de la materia.

En 1999 un grupo de investigadores de la universidad de Harvard ralentizó un rayo de luz hasta los 60 kilómetros por hora al pasarlo a través de un grupo de átomos de sodio que formaban un condensado de Bose-Einstein al ser enfriado hasta unas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. Ya no estamos hablando de los inimaginables kilómetros por segundo, si no de magnitudes cotidianas.

Como explica la profesora Lene Hau en esta entrevista, ella y su equipo consiguieron reducir la velocidad de un rayo láser hasta los 1.6 kilómetros por hora en experimentos posteriores. O sea, que si tuviéramos un cable lleno de condensado de Bose-Einstein y apuntáramos con un láser uno de sus extremos, podríamos adelantar al pulso de luz que se transmitiría a través de él caminando tranquilamente.

 ¡Joder! ¡Rayos y truenos! Eso es bastante impresionante.

Pues si eso te ha dejado patidifuso, agárrate los pantalones antes de leer esto: otro equipo de investigadores logró detener un rayo de luz por completo, durante un minuto, en el interior de un cristal.

Los detalles exactos para este experimento también son bastante complicados, pero se pueden resumir en lo siguiente.

Se usó una técnica llamada transparencia inducida electromagnética sobre un cristal de silicato dopado con itrio. Esta técnica consigue que un material sea transparente a un rango muy pequeño de longitudes de onda mientras actúan sobre él dos láseres. Si uno de estos láseres se apaga, el medio vuelve a ser opaco para esas longitudes de onda.

En este experimento, dos láseres se apuntaban hacia el cristal. Cuando los dos brillaban a la vez a través del material, éste se volvía transparente y uno de ellos de ellos, el que estaba calibrado para que emitiera luz en este rango de longitudes de onda concreto, lo atravesaba. Cuando el otro láser se apagaba, el cristal se volvía opaco y la luz del primer láser que en ese momento estaba pasando por el interior del cristal quedaba atrapada en su interior, convertida en una especie de onda en los propios átomos del material (no puedo describir con mucho más detalle una spin wave sin que a ambos nos entre dolor de cabeza).

Encendiendo el segundo láser de nuevo, el cristal recuperaba su transparencia y la luz atrapada podía salir al exterior otra vez. Y así, los investigadores lograron que la luz saliera del cristal y volviera a su velocidad normal en el aire después de que pasara un minuto encerrada.

Entonces, ¿qué podemos concluir después de todo este tostón?

Podemos alterar la velocidad de la luz obligándola a pasar de un medio a otro, pero no tenemos manera de modificar la velocidad de un rayo de luz mientras se desplaza por un mismo medio. O sea, que no podemos de ralentizar la luz que sale de nuestras bombillas para ver con nuestros propios ojos cómo se propaga.

Pero, bueno, para eso existen las cámaras capaces de grabar a 1 billón de fotogramas por segundo.

Y, ahora, como es tradición…

Como había comentado, National Geographic ofrece suscripciones anuales a su revista por 24,95€. En este precio vienen incluidas 12 revistas y una edición especial que incluye dos libros. La oferta es una pasada, siendo objetivo.

Pero, además, para los que no sólo os interesa la ciencia, hablé con los comerciales y ahora han sacado una nueva oferta para la suscripción anual a su revista Historia, que incluye 12 revistas y 4 libros (valorados en 60€) todo por un precio de 24.95€.

Total, que si os interesan las ofertas (y/o queréis echarme un cable económicamente) podéis hacer click sobre este texto verde que os llevará a una entrada donde las explico con más detalle. Y luego ya de ahí, si os interesa, podréis comprarlas.

14 pensamientos en “Respuestas (LVI): ¿Se puede ralentizar un rayo de luz?”

  1. Apasionante entrada, me has dejado descolocado al mostrarme el vídeo de una haz de luz filmado…. entonces, un dia de estos le podremos regalar a nuestras novias una joya consistente en un mineral donde se quede atrapado, saecula saeculorum, un rayo de luz? Seria genial!!! me voy corriendo al registro de patentes a registrar la idea!!!. Felicidades por tu blog!!

  2. No creo que sirviera de mucho, el rayo atrapado no es visible hasta que se libera del material cuando vuelve a incidir el láser. Ademas, dudo que la luz atrapada esté en un rango visible. Una lástima, yo también querría uno U_U

  3. La verdad es que disfruto mucho leer tu blog, cada tema lo haces ver desde un punto de vista bastante interesante.
    Excelente entrada, te felicito!!

    Aunque aun me quedan algunas dudas, en otros temas hemos visto que la luz no tienen masa, y que solo se deforma debido a la gravedad.
    Entonces, ¿como es posible desviar o alterar su velocidad por medio de un material físico? (Se que aquí tal vez se genere un tema muy extenso, si así es, ¿podrías considerarlo para una entrada en el área de Respuestas?)

    Ademas, si la luz tiene algún tipo de resistencia, ¿Como es posible que recupere su velocidad al pasar a través del medio? ¿Que efecto es el que hace que recupere su longitud de onda previa?

    De antemano te agradezco.

    Saludos.

    1. Porque la luz al atravesar un material es absorbida por sus electrones y reemitida en un corto período de tiempo. Eso pasa repetidas veces y “ralentiza” el rayo de luz, pero en realidad entre átomo y átomo la luz se mueve a la velocidad de la luz, como siempre.

      La entrada está muy bien pero el no comentar este tema hace confundir a la gente.

  4. Que buena entrada Jordi, al foro que irá. Por cierto me suscribí al National Geographic el 20 y pico de Enero y me llegó el email conforme pertenecía al club y demás, pero ni rastro de la revista de ese mes… cuando se supone que me llegara?

  5. Increíble artículo!!, lo cual me genera dudas (desde el desconocimiento y abuso de drogas).

    Imaginemos que tenemos una nave orbitando alrededor de la tierra, esta transmite una comunicación en tiempo real vía láser con la tierra.
    Ahora pasamos a modo ciencia ficción, la nave acelera a velocidad luz (o casi), manteniendo su órbita alrededor;

    ¿la comunicación con la tierra seguiría siendo en tiempo real (lo cual es muy paradójico)?

    ¿Desde la nave nos escucharían como los pitufos maquineros?, lo cual no tiene sentido, ya que no puedes acelerar la velocidad luz.

    ¿Desde la tierra escucharíamos la conversación en ralentí?, tampoco tiene sentido al menos que se ralentice la velocidad luz.

    En cambio el tiempo transcurre de manera muy diferente para la tierra que para el interior de la nave, pero la velocidad de comunicación es constante o por el contrario ¿la luz de alguna forma se ve afectada al entrar en la nave?

    ¿Es hora de cambiar de camello?

    Un saludo :S

  6. Me encanta este blog. Tengo una curiosidad… cuando la luz entra o abandona el medio que la ralentiza y vuelve a su velocidad “normal”, ¿existe aceleración y deceleración? Como se dice que su velocidad siempre es constante… perdonad si he preguntado una chorrada pero sólo soy un amateur xD

    Un saludo y gracias por los buenos ratos que paso leyendo esta web.

  7. Me fascina la fisica, me gustaria que publicaras temas relacionadas con la astronomia ya que son dos ciencias que me gustan mucho. saludos

  8. Hay una cosa que me vuelve un poco loco… Pongamos que la luz va por un medio a la que va a 300.000 km/s. Según la teoría de la relatividad la velocidad de la luz la ve pasar a esa velocidad alguien que esté quieto como alguien que se esté desplazando a la misma dirección que ese haz de luz y vaya a 299.000 km/s. Entonces… si un haz de luz va a 1.6 km/h y puedes adelantarlo caminando… o uno que vaya a 60 km/h si lo puedes adelantar con el coche… ¿no se está saltando este principio? Por como lo tenía pensado, si un haz de luz va a 60 km/h y tu vas con un coche detrás del haz de luz a 50 km/h también deberías ver ese haz de luz yendo a 60 km/h (aunque con una longitud de onda distinta) por lo tanto bajo tu perspectiva no lo podrías adelantar nunca.

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