Un equipo de investigadores canadienses de la Universidad de Toronto (pertenecientes al grupo de Aephraim Steinberg), en colaboración con el teórico Howard Wiseman de la Universidad de Griffith en Australia, ha confirmado mediante experimentos la realidad de un efecto cuántico paradójico. Los fotones que logran atravesar una nube de átomos provocan, en promedio, un tiempo de excitación negativo en dichas partículas.
En qué consiste el experimento
Los científicos emitieron pulsos extremadamente débiles de luz resonante (esencialmente fotones) a través de una nube de átomos de rubidio enfriados. Al alcanzar la frecuencia de resonancia, se espera que los átomos absorban y reemiten los fotones, es decir, que pasen temporalmente a un estado de excitación.
Durante este proceso, la mayor parte de los fotones se dispersa. No obstante, una pequeña fracción consigue cruzar el medio. El interrogante principal era determinar cuánto tiempo pasan estos fotones supervivientes dentro de los átomos en forma de excitación.
Dado que una medición convencional destruiría el efecto (debido al efecto cuántico de Zenón), se recurrió a las denominadas mediciones débiles: se hizo pasar un segundo láser auxiliar muy tenue a través de la nube para determinar, mediante el minúsculo desplazamiento de su fase, el nivel medio de excitación atómica. Este método apenas interfiere en el proceso, aunque requiere recopilar un volumen masivo de datos estadísticos.
Tras completar decenas de millones de ciclos (lo que supuso decenas de horas de mediciones) y aplicar una post-selección para filtrar solo los casos en los que el fotón realmente atravesó la nube y fue registrado, los investigadores obtuvieron un resultado contundente.
Qué es el «tiempo negativo» en palabras sencillas
En este contexto, el «tiempo negativo» representa el promedio temporal que los átomos permanecieron en estado excitado debido a la interacción específica con los fotones que lograron pasar con éxito.
Dicho valor resultó ser negativo (por ejemplo, cerca de –0,8 veces el tiempo de excitación positivo habitual para pulsos de banda estrecha).
Esto no significa que:
- los fotones hayan viajado hacia atrás en el tiempo;
- la causalidad se haya visto comprometida;
- los átomos se hayan excitado «antes» de la llegada del fotón en el sentido convencional.
Lo que esto implica es lo siguiente:
Anteriormente, el retraso de grupo negativo (cuando el pico de un pulso de luz sale de un medio antes de lo previsto) solía explicarse simplemente como una reconfiguración de la forma del pulso: el medio «recorta» la parte posterior y solo deja pasar el frente de onda. Por ello, se consideraba que era un artefacto matemático y no un tiempo de interacción física real.
En este nuevo experimento, los científicos interrogaron a los propios átomos: «¿Y ustedes cuánto tiempo estuvieron excitados por el fotón que pasó?»
Los átomos respondieron: tiempo negativo. Esta respuesta coincidió con exactitud con el retraso de grupo negativo medido tras la salida de los fotones.
De esta manera, se demuestra que el tiempo negativo no es una ilusión derivada de la forma del pulso. Posee una manifestación física directa en el estado de la materia. En mecánica cuántica (a través de los valores débiles), el «tiempo de interacción» promedio para los fotones que cruzan con éxito puede ser realmente negativo debido a la interferencia de las amplitudes de probabilidad.
Explicación sencilla de la esencia: En el mundo cuántico, el fotón no se comporta como una esfera sólida, sino como una onda de probabilidad. Al atravesar la nube de átomos, la onda cuántica interactúa con ellos creando un efecto de interferencia (la suma o resta de ondas). Cuando el fotón cruza el medio con éxito, sus propiedades ondulatorias se combinan de tal forma que la probabilidad de que el átomo esté en estado excitado cae, matemáticamente, por debajo de cero.
El «tiempo negativo» es una magnitud cuántica específica que refleja cómo la interferencia de ondas resta tiempo de interacción para las partículas que logran atravesar el sistema.
Por qué es importante este hallazgo
Este resultado confirma que el retraso de grupo negativo es una propiedad física real de la luz cuántica y la materia, y no un mero recurso matemático conveniente. El efecto se predijo teóricamente hace tiempo y se observó en 1993 en un experimento de tunelización de fotones (también con la participación de Steinberg), aunque en aquel momento se cuestionó su significado físico.
Hoy las dudas se disipan: los átomos «sienten» este tiempo negativo.
Los investigadores subrayan que no se trata de una máquina del tiempo. Es una particularidad de la física cuántica estándar al operar con mediciones débiles y post-selección. En la visión de conjunto (que incluye los fotones dispersos), la causalidad y la naturaleza positiva del tiempo se mantienen intactas.
El equipo planea ahora estudiar con más detalle los fotones que se dispersaron para comprender cómo el tiempo positivo y el negativo se compensan entre sí en la estadística general.
