Física En Zigzag: La Laguna Hace Que Las Partículas Ligeras Actúen Ebrias

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Las leyes de la física dicen que un fotón debería viajar a la velocidad de la luz en el espacio libre, pero una nueva investigación muestra que no siempre es así.

Es posible que haya que volver a escribir una regla general: la luz que se mueve libremente a través del espacio vacío no necesariamente viaja a la velocidad de la luz.

Como los físicos han llegado a saber, las partículas de luz que viajan a través del espacio vacío deberían desplazarse exactamente a 186,282 millas por segundo (299,792 kilómetros por segundo). Esta velocidad es lo que normalmente se conoce como "la velocidad de la luz".

La luz naturalmente viaja más lentamente cuando pasa a través de un medio como el agua o el vidrio, o estructuras artificiales llamadas guías de onda. Pero una vez que la luz sale por el otro lado del medio, debería volver a subir hasta su máximo clip. Pero ahora, una nueva investigación sugiere que hay una excepción a esta regla: la luz no viajará a la velocidad máxima en el espacio vacío si la "estructura" de la luz se cambia por primera vez. [Física retorcida: 7 hallazgos alucinantes]

Según los autores del nuevo estudio, algo tan simple como una lupa puede cambiar la estructura de la luz. La lente recoge la luz difusa y la reúne en un único punto brillante. En sus experimentos, los investigadores pudieron aislar este efecto de desaceleración al enviar la luz a través de "máscaras" especialmente diseñadas que son similares a ciertos tipos de lentes.

Los investigadores enfatizan que aunque los resultados parecen extraños al principio, no desafían las leyes de la física.

"Tiene mucho sentido, es perfectamente coherente con nuestra comprensión de cómo funciona la luz y cómo funcionan las ondas y cómo funciona la mecánica cuántica", dijo Daniel Giovannini, asistente de investigación de la Universidad de Glasgow en Escocia y coautor del nuevo artículo..

Si bien se han reportado indicios de este fenómeno anteriormente, los investigadores dijeron que su trabajo es el primero en demostrarlo directamente y ofrecer una explicación completa de por qué sucede.

"Es como una apuesta de barra", dijo Giovannini. "Usted dice: 'Le estoy apostando a que puedo reducir la velocidad de la luz en el espacio libre'. Y todos los demás dirán: 'No, no puedes hacer eso'. Y cuando realmente lo haces, todos dicen: 'Oh, eso fue obvio' ".

Un camino torcido

Para los fotones, o partículas de luz, salir de un vaso de agua es como tratar de salir de una fiesta llena de gente: el fotón sigue chocando contra otras "personas" (las moléculas de agua), evitando que el rayo de luz tome un camino recto hacia la puerta. El fotón se mueve rápidamente entre cada molécula de agua, pero una ruta en zigzag entre dos puntos es más lenta que una recta, por lo que en última instancia, el fotón se retrasa.

Mientras viajan a través del medio, los fotones siempre se mueven a su velocidad máxima (la velocidad de la luz), pero se ralentizan por la ruta alterada. Por lo tanto, una vez que el fotón se escapa al espacio abierto y reanuda un camino recto, también debe volver a su velocidad máxima. Pero de acuerdo con el nuevo estudio, cambiar la estructura de la luz puede hacer que el fotón se desplace de manera efectiva en un camino en zigzag y ralentizarlo. [9 mayores misterios sin resolver en la física]

Un tipo especial de lente puede crear lo que se conoce como un haz de Bessel, que es un haz de luz en forma de un patrón de ojo de buey. Los científicos que realizan experimentos con estos haces de Bessel, así como algo llamado haz de Gauss, que es un punto de luz que es más denso en el medio y se adelgazan gradualmente hacia los bordes, han notado que la luz parece moverse más lentamente de lo que es. Debería en espacio libre.

Los lentes pueden afectar a los rayos de luz de diferentes maneras, por lo que para eliminar esos efectos adicionales, los investigadores utilizaron "máscaras" especializadas, básicamente una película muy delgada formada por estructuras de cristal, que pueden dar forma a la trayectoria de fotones individuales.

Un fotón es una unidad de luz que no se puede dividir en pedazos más pequeños. Sin embargo, una onda de luz técnicamente tiene múltiples componentes, dijeron los investigadores. Es similar a cómo una ubicación geográfica puede tener una latitud, una longitud e incluso una altitud: los tres números diferentes describen una única ubicación. De manera similar, un solo fotón puede ser descrito por múltiples componentes de onda.

Cuando la onda de luz pasa a través de la máscara, sus componentes se envían en diferentes caminos; algunos viajan en línea recta, mientras que otros se envían en caminos más lentos y angulosos que los frenan. La velocidad del fotón es la velocidad promedio de todos los componentes de la onda, por lo que los fotones desviados ralentizan todo el fotón.

Las estructuras llamadas guías de onda pueden crear este mismo efecto de desaceleración, pero normalmente, la luz debe pasar a través de la guía de onda para disminuirla.

"Si envías luz a una guía de ondas, rebotará en las paredes y viajará en zigzag", dijo Giovannini a WordsSideKick.com. "Lo que estamos haciendo aquí es crear más o menos la misma estructura, excepto en el espacio libre y no en una guía de ondas. Quitamos las paredes y dejamos que la luz se propague en el espacio libre después de haberlo estructurado".

Fotones de carreras

Los investigadores establecieron un experimento que enfrentó a un fotón que había sido enviado a través de la máscara contra otro fotón que no lo había hecho. Luego, los investigadores registraron los fotones para ver cuál cruzaba primero la línea de meta. Los fotones que pasaron a través de la máscara llegaron con un retraso medible.

"El retraso que hemos introducido en el haz estructurado es pequeño, medido a varios micrómetros [una millonésima de metro] en una distancia de propagación de 1 metro, pero es significativo", dijo Giovannini en un comunicado. Los investigadores dijeron que este retraso se puede ver en ambos grupos de fotones y fotones individuales.

Anteriormente, los investigadores que jugaban con algunos tipos especiales de lentes descubrieron que la luz que salía de estas lentes parecía viajar un poco más lentamente que la velocidad de la luz. Sin embargo, esta es la primera vez que este efecto se ha aislado y estudiado directamente, dijeron los investigadores. La explicación del investigador que involucra el camino del "zig-zag" y la estructura de la luz es la primera explicación teórica completa para este fenómeno.

"Lo que hicimos fue un experimento realmente claro que elimina cualquier ambigüedad", dijo Jacquiline Romero, asistente de investigación en la Universidad de Glasgow y autora principal del estudio. "Mientras que algunas personas dirán 'Oh, eso es obvio', tal vez algunas personas también dirán 'Oh, ¡eso es genial!'"

Los resultados no tienen ninguna aplicación inmediata, dijeron los investigadores, pero los hallazgos pueden ser importantes en las mediciones de precisión con luz.

"Es un efecto realmente bueno al que básicamente nadie había prestado mucha atención antes", dijo Giovannini.

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