Una capa de invisibilidad temporal

Leí la noticia hace casi un mes y tengo que reconocer que me quedé boquiabierto. En los últimos tiempos, los científicos están realizando grandes progresos para conseguir la llamada capa de invisibilidad, que oculta objetos de forma similar a como lo hace la capa de Harry Potter. Pero la noticia no hablaba de una capa de invisibilidad “normal y corriente”, si me permites llamarla así. Esto iba más allá todavía: unos físicos del Imperial College de Londres afirmaban haber encontrado una forma teórica de ocultar, no objetos, sino algo más alucinante todavía…¡sucesos! Sí, has leído bien. Sucesos, eventos, hechos, como lo quieras llamar. Básicamente, se trata del mismo principio físico que hace posible las capas de invisibilidad, pero en vez de ocultar cosas en el espacio, esconde eventos en el tiempo. E igual que un observador no sería capaz de ver un objeto cubierto por la capa de invisibilidad “espacial”, tampoco podría observar un suceso oculto con esta flamante capa de invisibilidad “temporal”, aunque ocurriese delante de sus ojos. 

¿Verdad que parece increíble?

Esquivar la luz

Pero empecemos por el principio, intentando comprender cómo funciona una capa de invisibilidad “espacial”, que ya tiene su miga. Hasta hace una década se creía que era una idea más propia de la ciencia-ficción, pero en la actualidad estamos mucho más cerca de hacerlo realidad, gracias a los llamados metamateriales, unos materiales con unas sorprendentes propiedades que no se pueden encontrar en la naturaleza.

Un metamaterial de fibra de vidrio con
celdas de cobre (dominio público).

¿Qué son los metamateriales? Se trata de estructuras artificiales creadas en el laboratorio a partir de elementos naturales como metales (cobre, plata,…) o semiconductores, como el silicio. Los científicos disponen estos elementos de manera minuciosa a escalas diminutas, cientos de veces más pequeñas que el grosor de un pelo. Según la disposición exacta y la distribución concreta de sus elementos, los científicos puede conseguir que la luz tenga un comportamiento “anómalo” al atravesarlos. Por ejemplo, pueden modificar el índice de refracción en el interior de un metamaterial, de tal manera que la luz lo rodee, en vez de atravesarlo o reflejarse. La idea es similar a lo que hace el agua de un río cuando se encuentra una roca: la rodea y luego se vuelve a juntar, sin que quede ninguna huella de su presencia.

Imagínate que construyes un metamaterial así y envuelves con él un objeto cualquiera. Como el metamaterial impide que la luz llegue a iluminarlo, entonces no podrías verlo, ni tan siquiera el más mínimo reflejo o sombra. En cambio, podrías ver los objetos que se encuentran a su espalda, ya que la luz lo rodearía. Si no puedes ver un objeto y sí lo que tiene por detrás, ¡entonces es que se ha vuelto invisible! En la práctica, este metamaterial funcionaría como una capa de invisibilidad. 

Como decía al principio, los científicos realizan progresos continuamente. Empezaron construyendo capas de invisibilidad para luz de determinadas longitudes de onda que el ojo no puede captar, como la llamada radiación de microondas. Luego se fueron acercando al espectro visible de la luz, cuya longitud de onda está comprendida entre los 380 y los 780 nanómetros. (Cada longitud de onda del espectro visible la captan nuestros ojos como un color diferente.) Y, atención a la noticia de última hora, por primera vez se ha conseguido diseñar un material que oculta objetos a la luz visible. La capa de invisibilidad "espacial" está más cerca que nunca, por no decir que ya se ha logrado.

Un pollo en la autopista

El concepto de una capa de invisibilidad temporal es ligeramente diferente. Para explicarlo vamos a recurrir a una analogía muy ilustrativa que utiliza Paul Kinsler, uno de los cerebros de la idea de la capa temporal. Imagínate que un pollo se encuentra al borde de una autopista, por donde circulan los coches a una determinada velocidad constante. Lejos de allí se encuentra un Observatorio de Tráfico, que vigila la circulación de los coches. El pollo quiere llegar al otro lado de la autopista sin perturbar el tráfico, de forma que su acción pase desapercibida para el Observatorio. Si cruza sin más, obligaría a los coches a pegar un brusco frenazo o a cambiar su trayectoria para esquivarlo, lo que alteraría la normal circulación de los coches. La maniobra, además de provocar un accidente, sería fácilmente reconocible por el Observatorio. ¿Cómo puede hacerlo entonces?

Crédito: Paul Kinsler, Imperial College of London

La idea es la siguiente. En un momento dado, los coches que superan al pollo aceleran, y los que todavía no han llegado hasta él frenan, de tal manera que se forma un hueco en el tráfico. Entonces el pollo aprovecha la ocasión para cruzar rápidamente la autopista sin ser atropellado por los coches. Una vez que el pollo ha alcanzado su objetivo, los coches de delante deben frenar, al mismo tiempo que los de atrás aceleran. Así se reestablece la circulación y todo vuelve a la normalidad. El pollo no ha interaccionado en ningún momento con los coches, ya que éstos siguen manteniendo la misma trayectoria inicial; sólo han frenado y acelerado en ese tramo, pero de tal manera que estas aceleraciones y deceleraciones no cambian la velocidad media que llevaban. En consecuencia, cuando los coches llegan al Observatorio de Tráfico, no hay ninguna evidencia de que un pollo haya cruzado la autopista.

Veamos la secuencia completa en esta imagen animada:

Crédito: Paul Kinsler, Imperial College of London

La capa de invisibilidad temporal

Por extraño que parezca, así es cómo funciona una capa de invisibilidad temporal. Sólo hay que sustituir los coches por fotones, el Observatorio de Tráfico por nuestros ojos y el pollo cruzando la autopista por el suceso que queremos ocultar. Ahora se entiende el sentido de la analogía anterior: el Observatorio de Tráfico recoge y analiza los datos del flujo de coches, de la misma forma que los ojos registran información de los fotones que impactan en la retina.

Veamos otro ejemplo más "real" que el pollo y la autopista. La escena se desarrolla ahora en la cámara acorazada de un banco. Las cámaras de seguridad graban todo lo que ocurre, puesto que los fotones que emiten las lámparas rebotan en los objetos de la habitación y alcanzan el objetivo de la cámara. Imagínate ahora que podemos manipular la velocidad de la luz, de tal manera que aceleramos los fotones antes de un momento dado y frenamos los fotones después de ese momento. Esto crearía un breve periodo de “oscuridad” en el flujo de fotones, como ocurría en el tráfico al acelerar y frenar los coches.

Ahora suponte que durante este momento de “oscuridad”, un ladrón entra en escena, abre la caja fuerte y roba el dinero, teniendo cuidado de dejar todo exactamente como estaba. Con la marcha del ladrón, el proceso de acelerar y frenar la luz se invierte, de manera que, cuando la luz alcanza las cámaras de vigilancia, todo tiene el mismo aspecto que antes. Si vieses lo que han grabado las cámaras, comprobarías que no hay ni rastro en ellas del robo de la caja fuerte. ¡Exactamente como si alguien hubiese editado la cinta y cortado esa escena! 

En definitiva, manipulando la velocidad de la luz en una región del espacio durante cierto tiempo podemos crear, al menos en teoría, una capa de invisibilidad temporal que puede ocultar eventos. Existen, sin embargo, dos limitaciones importantes. La primera es que la luz viaja muy rápido, casi 300,000 kilómetros por segundo en el vacío, por lo que habría que frenar y acelerar muchísimo los fotones para conseguir un hueco temporal apreciable. Por otro lado, como nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío, esta artimaña sólo funcionaría en un medio en el que la luz viaje con más lentitud que en el vacío, como ocurre en el interior de una fibra óptica. En tal caso, un suceso en el interior de un cable de fibra óptica –por ejemplo, una señal eléctrica que cambia de “on” a “off”- podría ocultarse a la vista. De todas maneras, según los expertos, todavía habría que esperar varios años para conseguir algo parecido.

Algo más que teoría

Hasta aquí era lo que había escrito acerca del tema cuando, el 14 de julio, me encuentro con esta noticia en Sciencie News: un equipo de la Universidad de Cornell, en Nueva York, reportan la primera prueba experimental de un “ocultamiento temporal”…¡Ya lo han conseguido! ¡Y los expertos pensando que podría tardarse años!

El equipo de Cornell, cuyo artículo todavía está pendiente de publicación en arXiv.org, manipuló la luz en un cable de fibra óptica utilizando una lente temporal, un dispositivo de silicio desarrollado para aumentar la velocidad en la transferencia de datos. Una parte de la luz que pasaba a través de esta lente se aceleró, y una parte se frenó, creando un hueco de oscuridad. Entonces, después de que la luz pasase el punto donde ocurría el suceso que se quiere ocultar, los científicos invirtieron el proceso mediante una segunda lente: la luz que había sido acelerada se frenó, y la que se había frenado se aceleró. De esta manera llegó intacta a su destino, sin que se registrase el hueco ni nada que hubiese pasado durante ese breve momento.

Esquema del experimento realizado por el equipo de Cornell.

El hueco apenas duró unas 15 milmillonésimas de segundo, pero fue suficiente para ocultar pulsos de luz creados dentro de la capa de invisibilidad. En teoría, este hueco temporal se podría aumentar a más de un microsegundo en un cable más largo, aunque para tiempos mayores, las imperfecciones de la técnica serían tales que se revelaría la presencia del hueco.

¿Y qué aplicaciones podría tener esto? De momento, queridos ladrones, está descartado que sirva para ocultar sucesos en nuestra vida cotidiana, como robar una caja fuerte. Según Paul Kinsler, se podría usar la capa para crear un hueco temporal en una corriente continua de datos, lo que permitiría usar dicho intervalo para tratar algunos datos de mayor prioridad, sin dejar rastro de esta manipulación. En realidad, la idea de una capa de invisibilidad temporal ya es en sí misma un avance conceptual significativo. Por ello, quizás su aplicación más importante puede ser simplemente tener una forma diferente de plantear el procesamiento de señales, lo que podría conducir a nuevas ideas para dispositivos y aplicaciones. El hecho que se haya conseguido tan pronto un experimento basado en este concepto teórico es una buena prueba.

Pues eso, que se abre todo un nuevo mundo de posibilidades...y yo sigo boquiabierto.

NOTA: Esta entrada participa en la XXII Edición del Carnaval de la Física, que organiza en esta ocasión BioUnalm.

REFERENCIAS:

1.    M. W. McCall et al, A spacetime cloak, or a history editor, J. Opt. 13, 024003 (2011).

2.   M. Friedman et al., Demonstration of temporal cloacking, 11 de julio de 2011. Pendiente de publicación en arXiv.org.