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¿Por qué algunos físicos experimentales piensan que existe el "tiempo negativo" o que este es el mejor término para hablar de nuevas observaciones de la materia y de la luz? ¿Qué es lo que ha descubierto un equipo de investigadores de la Universidad de Toronto?

¿La ciencia ha llegado al punto en que puede hacernos testigos del no ser de algo como el tiempo, un “tiempo negativo” o un continuidad que se anula o que se resta del cero del presente?

La física cuántica es un campo de conocimiento sobre la “physis” o naturaleza de fenómenos que carecen de sentido dentro del que creemos es el mundo que nos rodea. Logramos advertir cada vez más de estos fenómenos, pero todavía no conseguimos la identidad entre nuestro lenguaje y lo que observamos, persistiendo una sensación de extrañeza parecida a tener que seguir llamando “el dibujo de una vaca que come pasto” a una hoja vacía donde todo lo verde fue devorado y la simplemente vaca se fue. Los objetos cuánticos se desprenden de sus propiedades o no coinciden con nuestras descripciones sobre lo que “debería” ser el universo.

El público en general se ha ido familiarizando con este nuevo paradigma, aunque sus hechos todavía no sean lo bastante explicables, por ejemplos, que los átomos a veces se comporten como ondas, la materia como energía, y viceversa, o que las partículas puedan estar conectadas o interactúen a distancia y de una manera que nos atrevemos a llamar “fantasmal”.

Sin embargo, hay hechos o resultados de la naturaleza cuántica apenas por revelarse. Ese es el caso del denominado tiempo negativo, un término que dice poco sobre el tiempo en sí, pero que versa sobre la observación de valores temporales difusos y probabilísticos. La primera observación, gracias a la Universidad de Toronto, de cómo los fotones o las partículas de luz en forma de onda parecen salir de un material antes de entrar. Dicho con mayor detalle, estos fotones “pasarían” una cantidad negativa de tiempo atravesando una nube de átomos enfriados.

Cuando las términos generales de este fenómeno era solo los de una teoría, algunos investigadores lo habían descartado como un sinsentido respecto de cualquier propiedad física asociada con la luz, pensando, sobre todo, en la naturaleza contraintuitiva de estos retrasos.

De acuerdo con Aephraim Steinberg, profesor de la Universidad de Toronto, Canadá, investigar algo como esto empezó en 2017 como una curiosidad compartida con el físico experimental, y entonces estudiante, Josiah Sinclair, sobre las peculiaridades de la interacción de la luz y la materia. Esto los llevó a investigar lo que se conoce como “excitación atómica” y reconocer el mencionado retraso temporal. Siempre que los fotones atraviesan un medio son absorbidos, mientras los electrones que giran en torno a los átomos de ese medio saltan con niveles crecientes de energía. A eso se refiere el término “excitación”, electrones que cuando vuelven a su estado original, liberan la energía absorbida en la forma de fotones “reemitidos”. Esto provoca un aparente tiempo de tránsito negativo de la luz a través del medio material. En palabras del propio Steinberg:

No estábamos seguros de cuál era la respuesta, y pensábamos que una pregunta tan básica sobre algo tan fundamental debería ser fácil de responder, pero cuanto más gente hablábamos, más nos dábamos cuenta de que, si bien todos tenían su propia intuición o suposición, no había un consenso entre los expertos sobre cuál sería la respuesta correcta. Tomó una cantidad de tiempo positiva, pero nuestro experimento que observa que los fotones pueden hacer que los átomos parezcan pasar una cantidad de tiempo negativa en el estado excitado ha terminado, es conclusivo.

Sinclair se propuso medir el retraso temporal, también denominado técnicamente “retraso de grupo”, con el fin de esclarecer si este depende del destino de los fotones. ¿Se dispersaron y absorbieron dentro de la nube atómica o se transmitieron sin interacción? Tomaría tres años el desarrollo de un aparato de prueba capaz de resolver estas dudas en un laboratorio. El resultado fue poder experimentar disparando fotones a través de una nube de átomos de rubidio ultrafríos para calcular la excitación atómica, algo que permitió dos observaciones nuevas:

En estos experimentos, los fotones llegaron a pasar intactos, pero los átomos de rubidio aun así se excitaron durante el mismo lapso de tiempo como si los fotones hubieran sido absorbidos.

Lo más interesante, sin embargo, fue que cuando los fotones sí eran absorbidos, parecían reemitirse al instante y mucho antes de que los átomos de rubidio hubieran vuelto a su estado fundamental. En promedio, los fotones abandonarían estos átomos antes de lo esperado.

Para idear una explicación a estas dos observaciones, el equipo de Steinberg y Sinclair colaboró con Howard Wiseman, profesor de la Universidad Griffith, Australia. Juntos llegaron al supuesto teórico de que el tiempo de tránsito como excitación atómica de estos fotones transmitidos es coincidente con el previsible retraso de grupo adquirido por la luz, incluso si aparentemente los fotones son emitidos, una vez más, antes de la disminución de la excitación atómica.

Una vez descartado cualquier error, el siguiente paso del equipo de la Universidad de Toronto, con la dirección de la investigadora Daniela Angulo, fue planificar nuevos experimentos, ahora de seguimiento, para poner a prueba esta extraña previsión del tiempo de permanencia negativo, algo que implicó repensar las dos formas conocidas de trasmisión de un fotón:

Un fotón bien puede ignorar a un átomo por completo, como si no tuvieran ninguna interacción. También pueden interactuar, lo que implica que, antes de volver a emitirse, un fotón impulse a un átomo a un nivel de energía más alto. Y ya que los fotones son parte del reino cuántico, ambas posibilidades, aparentemente, pueden superponerse u ocurrir a la vez.

El dispositivo de medición termina en una superposición de medición de cero y medición de algún pequeño valor positivo. El dispositivo de medición termina en un estado que no parece cero más algo positivo, sino como cero menos algo positivo, lo que resulta en lo que parece un signo incorrecto o un valor negativo para este tiempo de excitación.

Esto quiere decir, según Steinberg, que el desplazamiento de los fotones por un medio material es más rápido cuando excitan a los átomos que cuando estos permanecen en su estado fundamental, en el entendido de que las partículas de luz no comunican información, por lo que el resultado de los experimentos de Angulo no contradice el famoso límite de velocidad de nada puede viajar más rápido que la luz, conforme a la relatividad de Albert Einstein. Por eso se dice que el tiempo en el que los átomos absorben a los fotones es negativo, o en palabras de Sinclair:

Un retraso temporal negativo puede parecer paradójico, pero lo que significa es que si se construye un reloj cuántico para medir cuánto tiempo pasan los átomos en el estado excitado, la manecilla del reloj, en determinadas circunstancias, se movería hacia atrás en lugar de hacia adelante. Angulo y el resto del equipo han logrado algo realmente impresionante y han producido un hermoso conjunto de mediciones.

Como cualquier otra entidad cuántica, los fotones son difusos, y no se garantiza que su absorción y su reemisión, a través de una excitación atómica, ocurra durante un tiempo fijo. Los investigadores de la Universidad de Toronto han demostrado que este también es difuso o una valoración probabilística de instancias en las que el tránsito de un fotón individual parece inmediato o, si concluye antes del cese de la excitación atómica, da un valor negativo.

Estamos ante una identidad del tiempo con las paradojas de la materia y sus acciones, la energía de todo lo que existe atravesando cada cosa y cada instante, también la extrañeza cientpifica.

 

Imagen de portada: arte sobre el tiempo negativo, AltExploit.