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

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

by Jordi Pereyra

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.

Un vídeo así hace que te vengan muchas preguntas a la cabeza y, en el caso de David, la duda que le invadió fue: ¿sería posible variar la velocidad a la que se mueve un rayo de luz?

Y la respuesta eeeees… Que necesitamos por un poco de contexto primero.

Todos hemos oído alguna vez que la luz se desplaza a 299.792 kilómetros por segundo, pero hay que tener en cuenta que la luz sólo alcanza esa cifra, su velocidad máxima, cuando se mueve a través del vacío. En realidad, aunque la luz siempre se desplaza a una velocidad constante, su velocidad cambia en función del medio que esté atravesando. Y, de hecho, la propiedad que determina lo rápido que se podrá desplazar la luz a través de una sustancia transparente determinada (como el agua, el aire o el vidrio) es índice de refracción: cuanto mayor es el índice de refracción de una sustancia, más despacio se propaga la luz a través de ella.

El índice de refracción de distintos medios transparentes también determina cuánto se desvía la luz al pasar de un medio a otro, pero eso no nos interesa en la entrada de hoy. (Fuente)

Cuanto mayor es el índice de refracción de un material, más despacio se desplaza a través de él la luz que lo atraviesa. Para poner algún ejemplo, la luz se desplaza a 299.700 kilómetros por segundo a través del aire (con un índice de refracción de 1.0003), 92 kilómetros por segundo más despacio que cuando se mueve por el vacío. La luz se propaga a 225.400 km/s a través del agua (índice de 1.33), a 197.750 km/s a través de un cristal de sal (1.516) y su velocidad baja hasta los 123.880 km/s si atraviesa un diamante (2.42).

Eso sí, hay que tener en cuenta que la luz sólo no sigue moviéndose a una velocidad reducida cuando sale de un medio con un índice de refracción alto. Por ejemplo, la velocidad a la que se propaga un rayo de luz a través del aire bajará si se cruza en su camino un vaso de agua, pero en seguida volverá a recuperar su velocidad inicial al escapar del vaso:

¡Entonces sí que se puede cambiar la velocidad de un rayo de luz! ¡Y es mentira que nada pueda viajar más rápido que la luz, porque se pueden acelerar partículas hasta velocidades mayores que…!

No nos precipitemos, voz cursiva, porque falta un matiz: en realidad, aunque un rayo de luz pueda tardar más tiempo en propagarse a través de distintos medios, la velocidad de los fotones que la componen no cambia durante el camino.

¿Intentas decirme que la velocidad de la luz disminuye al pasar a través de una sustancia transparente, pero que su velocidad en realidad no disminuye? ¿Cómo se supone que me tengo que tragar eso?

Mejor me explico.

La luz siempre se desplaza a la velocidad máxima posible pero, en cuanto se encuentra con un objeto transparente, ya no se puede propagar libremente: cuando la luz se encuentra con un objeto en su camino, sus átomos la absorben durante un instante antes de volver a emitirla en la dirección en la que iba.

Por tanto, la luz se mueve a la misma velocidad de siempre cuando atraviesa una sustancia transparente, pero tarda más en atravesar la sustancia porque está siendo constantemente absorbida y reemitida un tiempo después por los átomos que contiene. Pero, entre átomo y átomo, la luz se mueve a su velocidad máxima.

Curiosamente, la luz ralentizada puede provocar un efecto interesante.

Al atravesar un material que la ralentiza lo suficiente, la luz puede ser «adelantada» por otras partículas que se desplazan más rápido. Entonces, de manera parecida a la que las ondas sonoras se amontonan frente a un coche en movimiento y percibimos los sonidos más agudos por el efecto Doppler, estas partículas más veloces distorsionan el campo electromagnético que las rodea y provocan la emisión de luz con una longitud de onda corta. 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 que pasa a través de él? ¿Podría existir una sustancia que «detenga» 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. Aquí tenéis una foto de una lente de germanio:

¿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 cristal transparente normal.

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 la aprecien. A esas velocidades, ni siquiera nos daríamos cuenta de que la luz de nuestras bombillas está moviéndose casi 40 veces más despacio por la habitación.

Pero eso puede cambiar si usamos estados de la materia exóticos, que «frenan» la luz que pasa a través de ellos hasta velocidades cotidianas.

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. Y, aunque no lo vemos tanto en nuestro día a día, podemos añadir el plasma a esta corta lista como cuarto estado de la materia.

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 se pueden observar en nuestro planeta si se recrean en un laboratorio. De entre todos estos estados, 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 como una misma entidad. Si queréis saber más sobre el tema, en esta entrada hablaba con más detalle sobre este extraño estado de la materia.

La cuestión es que, 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, enfriado hasta unas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. Fijaos que ya no estamos hablando de luz que se mueve a unos inimaginables kilómetros por segundo, si no de magnitudes cotidianas.

De hecho, como explica la profesora Lene Hau en esta entrevista, ella y su equipo llegaron 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 con el culo torcido, voz cursiva, 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. Mientras los dos brillaban a la vez a través del material, éste se volvía transparente y el láser 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 a través 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?

Pues que, aunque la luz se mueve a velocidades distintas al pasar por diferentes medios, su velocidad nunca cambia. Lo único que cambia es el tiempo que tarda en ser absorbida y emitida por los átomos de ese material. De hecho, mientras recorre el espacio que hay entre cada átomo, la luz se mueve a su velocidad máxima.

O sea, que no podemos de ralentizar la luz que sale de nuestras bombillas para ver con nuestros propios ojos cómo se propaga por la habitación. Pero, bueno, para eso existen las cámaras capaces de grabar a 1 billón de fotogramas por segundo.

Y, ahora, como es tradición…

 

15 comentarios

15 comentarios

Daroca febrero 2, 2015 - 10:54 pm

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!!

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Luis Blanco febrero 3, 2015 - 6:59 am

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

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lo highlader de les Penyes Roges febrero 3, 2015 - 11:25 am

Pues vaya, a los elfos les sale mucho más apañaíto.

PD: Por norma general disfruto mucho las publicaciones de este blog, pero la de hoy me ha dejado especialmente impresionado.

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Luis Blanco febrero 3, 2015 - 7:00 am

Por cierto, gran artículo! ^-^

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Emmanuel febrero 4, 2015 - 5:51 pm

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.

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Hector febrero 5, 2015 - 11:44 am

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.

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Dani febrero 4, 2015 - 10:34 pm

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?

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Jordi Pereyra febrero 6, 2015 - 4:57 pm

Gracias Dani, pregunto a los comerciales a ver qué me comentan!

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Eduardo Núñez febrero 5, 2015 - 12:27 pm

Ere un grande

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Edu A. febrero 20, 2015 - 12:33 am

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

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Daniel Amador Soria septiembre 15, 2015 - 9:13 pm

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.

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Raul Vega febrero 1, 2016 - 10:10 pm

Se hicieron experimentos en los cuales se ralentizo un haz de luz a 1.6 KM/h y a nadie se le ocurrio grabarlo en video???????????????????????????????

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maria antonia martinez trejo febrero 21, 2016 - 2:00 am

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

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cristian mayo 31, 2017 - 4:23 pm

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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Juan Ramón Labrada Estrada abril 16, 2020 - 8:51 pm

joder(perdon, no he podido evitarlo), me encanta la fisica y nunca habia sabido de estos detalles interesantisimos, gracias por compartir.

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