Desafiando las leyes de la Física

A las puertas del año internacional de la cuántica, un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto ha conseguido algo que muchos consideraban imposible: demostrar experimentalmente que un fotón puede pasar una cantidad negativa de tiempo como excitación atómica en un medio. Este descubrimiento, publicado como preprint en la plataforma arXiv, es un reto para los paradigmas clásicos de la física y aporta nuevas perspectivas a las propiedades de la luz y la materia. La mala noticia es que esto no significa que podamos viajar en el tiempo y someternos las clásicas paradojas de Regreso al futuro.

El estudio, liderado por Daniela Angulo, no ha sido revisado por pares, lo que significa que aún está en espera de la validación oficial de la comunidad científica. Sin embargo, las evidencias presentadas son tan sólidas y detalladas que han despertado un amplio interés en el campo. Este hallazgo parte de una larga tradición de investigaciones en torno al comportamiento de los fotones al interactuar con átomos, como se ha explorado en estudios previos sobre velocidades superlumínicas y absorción resonante de la luz.

Qué significa «tiempo negativo»

El concepto de tiempo negativo no debe confundirse con ideas de ciencia ficción, como viajar al pasado. En este caso, los investigadores lo utilizan para describir cómo los átomos interactúan con fotones bajo condiciones específicas. En términos simples, cuando un fotón pasa a través de un medio, puede excitar a los átomos, elevándolos a un estado de mayor energía conocido como «estado excitado». Estos átomos posteriormente liberan esa energía y vuelven a su estado original.

Lo intrigante es que, según las observaciones del equipo de Angulo, este tiempo de excitación puede ser negativo. Esto significa que, en lugar de que los átomos se exciten después de la interacción con el fotón, parecieran estar excitados antes de que el fotón pase. Este comportamiento está relacionado con el fenómeno del retraso de grupo (group delay), que describe cómo la luz se ralentiza o incluso parece retroceder cuando atraviesa ciertos materiales. Estudios anteriores ya habían predicho que este retraso podría ser negativo, pero hasta ahora no se había demostrado experimentalmente que esto tuviera un significado físico concreto.

Por otra parte, esta observación refuerza el marco probabilístico de la mecánica cuántica, donde las partículas no siguen trayectorias fijas ni lineales, sino que existen en un estado de superposición hasta que se las mide. Este fenómeno, aunque desconcertante, es compatible con las leyes conocidas de la física cuántica.

¿Qué pasaría si alguien respondiera antes de que le preguntes?

Un símil que, aunque no corresponde literalmente a lo que ocurre, podría ayudar a entenderlo es el siguiente: imagina que dos personas están en una sala, una de ellas (el fotón) entra y lanza una pregunta a la otra (el átomo). Sin embargo, la segunda persona responde antes de oír la pregunta. Sería algo así:

• «¡Sí, lo sé, me emocioné al verte!»

Y justo después, la primera persona formula la pregunta:

• «¿Estás emocionada de verme?»

Aunque sabemos que esto no puede ocurrir en nuestra realidad cotidiana, en el experimento cuántico algo análogo sucede: los átomos parecen responder (excitarse) antes de interactuar con el fotón.

Los experimentos detrás del descubrimiento

El equipo utilizó una técnica basada en el efecto Kerr, que permite medir interacciones cuánticas extremadamente pequeñas. Este método emplea dos haces de luz: uno denominado «señal», que interactúa directamente con los átomos, y otro denominado «prueba», que mide los cambios en la fase de las ondas de luz. Al observar estas variaciones, los investigadores pudieron calcular el tiempo promedio que los átomos pasaban en estado excitado.

El experimento se llevó a cabo en una nube fría de átomos de rubidio-85, enfriados a temperaturas de aproximadamente 60-70 microkelvin. Utilizaron pulsos láser de diferentes duraciones para medir cómo los átomos interactuaban con los fotones. Los resultados mostraron tiempos de excitación que iban desde valores negativos (-0.82τ₀) hasta positivos (0.54τ₀), dependiendo de las condiciones del experimento. Aquí, τ₀ es un tiempo de referencia basado en la probabilidad de absorción y la vida media del estado excitado.

Estos resultados se alinean con predicciones teóricas anteriores, especialmente con trabajos sobre valores débiles (weak values) en mecánica cuántica. En estudios previos, se había sugerido que las partículas podrían exhibir tiempos «anómalos» bajo ciertas condiciones, pero esta es una de las primeras pruebas experimentales que lo confirma con tanta precisión.

Conexión con investigaciones previas

Los experimentos sobre tiempo negativo realizados por el equipo de Angulo no surgieron de la nada. Este trabajo se basa en décadas de investigaciones que han explorado fenómenos aparentemente contraintuitivos en la propagación de la luz y su interacción con la materia. A continuación, repasamos algunas investigaciones clave que, aunque no tratan directamente el tiempo negativo, sientan las bases conceptuales para este descubrimiento.

Ondas evanescentes y velocidades superlumínicas

En la década de 1990, los físicos Günter Nimtz y Alfons Stahlhofen estudiaron las ondas evanescentes, un tipo especial de onda que aparece cuando la luz atraviesa interfaces complejas. En sus experimentos, observaron que las señales parecían viajar más rápido que la velocidad de la luz, algo que a primera vista parecía violar la teoría de la relatividad. Sin embargo, estos resultados no implicaban una transmisión de información más rápida que la luz, sino un efecto derivado de la forma en que las ondas interactúan con ciertos materiales.

Aunque su investigación no aborda directamente el tiempo negativo, sí tiene puntos en común. Ambos fenómenos revelan cómo las propiedades de la luz, como su velocidad o su tiempo de interacción con un medio, pueden comportarse de maneras que desafían nuestra intuición clásica. Así como Nimtz y Stahlhofen demostraron que las señales pueden tener un comportamiento aparentemente «anómalo», el tiempo negativo observado por Angulo también refleja un comportamiento inusual que, sin embargo, se ajusta perfectamente a las leyes de la mecánica cuántica.

Velocidad de la luz reducida en un condensado de Bose-Einstein

En 1999, Lene Hau y su equipo lograron un hito impresionante: reducir la velocidad de la luz a tan solo 17 metros por segundo al hacerla atravesar un condensado de Bose-Einstein. Este condensado, un estado de la materia formado por átomos enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, permite que las propiedades cuánticas de la luz y la materia se manifiesten de forma amplificada.

El vínculo con el tiempo negativo radica en la forma en que los medios materiales influyen en la propagación de la luz. Así como Hau manipuló la velocidad de la luz alterando el entorno por el que viaja, el equipo de Angulo demostró que el tiempo que los átomos pasan excitados puede ser manipulado al ajustar parámetros como la resonancia o la duración del pulso. En ambos casos, se subraya cómo las propiedades cuánticas de la luz pueden modificarse de maneras no intuitivas.

Tiempo de excitación atómica y valores débiles

Más recientemente, en 2022, un equipo liderado por Aephraim Steinberg —uno de los autores del presente estudio— realizó un experimento para medir el tiempo que un átomo pasaba en un estado excitado debido a un fotón que no fue absorbido. Usando técnicas avanzadas basadas en valores débiles (weak values), lograron determinar con precisión estas interacciones a nivel cuántico.

Este trabajo es particularmente relevante para el descubrimiento del tiempo negativo, ya que proporciona un marco experimental y teórico para estudiar cómo los fotones interactúan con los átomos. El presente estudio amplía estas mediciones al demostrar que, bajo ciertas condiciones, este tiempo de interacción no solo puede ser reducido, sino incluso volverse negativo. En este sentido, el trabajo de Steinberg en 2022 sirve como una base directa para entender y validar los resultados actuales.

Un vuelco en la física cuántica

El concepto de tiempo negativo tiene implicaciones profundas para nuestra comprensión del tiempo y la causalidad en el ámbito cuántico. Aunque no viola las leyes de la relatividad especial —ya que no transmite información más rápido que la luz—, cuestiona nuestra intuición sobre el flujo del tiempo. Según los autores, este fenómeno podría ayudarnos a entender mejor cómo la luz y la materia interactúan en condiciones extremas, como las que se encuentran en sistemas ópticos avanzados o incluso en fenómenos astrofísicos.

Por otra parte, este hallazgo refuerza la relevancia de las mediciones débiles, una técnica que permite observar propiedades cuánticas sin colapsar completamente el sistema. Este enfoque ha sido fundamental para estudiar estados cuánticos delicados y podría tener aplicaciones en tecnologías emergentes como la computación cuántica.

Posibles aplicaciones tecnológicas

Aunque este descubrimiento aún está en sus primeras etapas, sus posibles aplicaciones son fascinantes. En la computación cuántica, por ejemplo, el control del tiempo de interacción entre partículas podría optimizar los cálculos cuánticos, haciéndolos más rápidos y eficientes. También podría tener un impacto en las comunicaciones cuánticas, donde el tiempo negativo podría utilizarse para mejorar la precisión y la seguridad de los sistemas de transmisión.

Otro campo potencial es la óptica no lineal, donde la manipulación precisa del tiempo y la fase de las ondas de luz es crucial para desarrollar tecnologías avanzadas como láseres más potentes o detectores de luz más sensibles. Sin embargo, los propios investigadores han señalado que aún falta mucho por explorar antes de que este fenómeno pueda traducirse en aplicaciones prácticas.

Referencias

• Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon, Andy Jiao, Howard M. Wiseman, y Aephraim M. Steinberg. Experimental evidence that a photon can spend a negative amount of time in an atom cloud. arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2409.03680
• Hau, L., Harris, S., Dutton, Z. et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594–598 (1999). https://doi.org/10.1038/17561
• Sinclair, J., Hallaji, M., Feizpour, A., Dmochowski, G., & Steinberg, A. M. (2022). Measuring the Time Atoms Spend in the Excited State Due to a Photon They Do Not Absorb. PRX Quantum, 3(1), 010314. DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.010314