La oscuridad viaja más rápido que la luz y un experimento lo acaba de confirmar por primera vez

Desde 1905, cuando Albert Einstein publicó su teoría especial de la relatividad, la velocidad de la luz en el vacío se consolidó como una constante universal y el límite de velocidad absoluto para toda la materia del universo. Las reglas, no obstante, están hechas para romperse.

Un equipo internacional de físicos acaba de encontrar una laguna en ese principio: lo único que viaja más rápido que la luz, según revela Scientific American, la revista de divulgación científica, es la oscuridad.

No se trata de oscuridad en sentido abstracto. Son puntos oscuros muy concretos dentro de una onda de luz: los llamados vórtices ópticos, también conocidos como singularidades de fase. Cuando una onda luminosa se propaga por el espacio, oscila y se tuerce.

En el centro de esa torsión, las crestas y los valles de la onda se cancelan mutuamente y generan manchas oscuras que, bajo ciertas condiciones, adelantan a la propia onda que las produce. El hallazgo confirma una predicción teórica que data de la década de 1970 y que hasta ahora no había podido verificarse en ningún laboratorio del mundo.

Por qué la oscuridad puede superar a la luz

Los vórtices ópticos no transportan masa, energía ni información. Esa es la clave. Al carecer de esas propiedades, no están sujetos al límite que impone la relatividad de Einstein, que prohíbe el movimiento superlumínico únicamente cuando implica la transmisión de algo físico o informativo de un punto a otro y protege la causalidad: el principio según el cual ningún efecto puede preceder a su causa.

La distinción es sutil pero decisiva: lo que se desplaza a velocidad superlumínica no es ninguna partícula ni ninguna señal, sino la posición geométrica de un punto de cancelación dentro de la onda. Es un fenómeno de patrón, no de transporte.

Los autores del estudio, publicado en Nature, la revista científica, escribieron: “Las singularidades de fase no transportan energía ni información y, por tanto, pueden ‘moverse’ de forma superlumínica sin violar la causalidad”.

El experimento: nitruro de boro, polaritones y un microscopio único

Para observar el fenómeno, el equipo liderado por el físico Ido Kaminer, del Instituto Tecnológico Technion de Israel, construyó un sistema de microscopía diseñado específicamente para rastrear vórtices ópticos en nitruro de boro hexagonal. Este material es una forma bidimensional de cerámica capaz de convertir la luz en cuasipartículas denominadas polaritones, que combinan propiedades de la luz y la materia.

Los polaritones se desplazan con relativa lentitud: unas cien veces más despacio que la velocidad de la luz en el vacío. Esa reducción fue precisamente lo que permitió al equipo registrar con detalle el ciclo completo del fenómeno: singularidades de carga opuesta se aproximaban entre sí, se aceleraban mutuamente hasta superar la velocidad de la onda portadora y finalmente se aniquilaban al encontrarse.

Sin esa ralentización, el proceso habría sido demasiado veloz para cualquier instrumento de medición disponible. El diseño del microscopio fue determinante para lograr la observación precisa del fenómeno junto con el material elegido.

El microscopio que hizo posible lo imposible

La observación no habría sido posible sin un instrumento a la altura del fenómeno. El equipo utilizó un microscopio electrónico ultrarrápido —conocido por sus siglas en inglés, UTEM— con mejoras tanto de hardware como de algoritmos de procesamiento, instalado en el Centro de Microscopía Electrónica del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Technion.

El sistema logró resoluciones espaciales y temporales cada una un orden de magnitud por debajo de la longitud de onda y el período del polaritón, una precisión sin precedentes para este tipo de mediciones.

El diseño incluyó un esquema de doble iluminación con láser infrarrojo y una apertura modificada que permitió registrar 285 fotogramas de imágenes de 1.050 por 1.050 píxeles, con un volumen total de datos de aproximadamente 1,5 gigabytes por adquisición.

Ese nivel de detalle fue el que permitió capturar, por primera vez, el ciclo completo de vida de las singularidades: desde su aparición hasta su aceleración y aniquilación final.

La ruptura de la analogía entre singularidades y partículas

Uno de los hallazgos más inesperados del estudio es que el comportamiento de las singularidades de fase no sigue las reglas de las partículas convencionales. Hasta ahora, los ensembles de singularidades se estudiaban por sus correlaciones de distancia, que se asemejan a las de partículas en líquidos.

Pero el nuevo experimento midió por primera vez la distribución conjunta de distancia y velocidad en el espacio de fase, revelando una dinámica que ese modelo no puede explicar.

Lo que observaron fue que, justo antes de aniquilarse, las singularidades de carga opuesta se aceleran hacia velocidades formalmente divergentes, un comportamiento que ninguna partícula física exhibe.

Los autores del estudio, publicado en Nature, denominan este fenómeno una “ruptura de la analogía partícula-singularidad” y señalan que abre nuevas preguntas sobre la naturaleza topológica de estos defectos en sistemas de ondas tan distintos como los superfluidos, los superconductores y los campos acústicos.

Aplicaciones en física, química, biología e información cuántica

La técnica de medición desarrollada en este experimento abre la posibilidad de estudiar otros fenómenos diminutos y ultrarrápidos en disciplinas que van más allá de la física. Según los investigadores, podría aplicarse también en química y biología, además de explorar nuevas formas de codificar información cuántica en materiales.

“Creemos que estas innovadoras técnicas de microscopía permitirán estudiar procesos ocultos en física, química y biología, revelando por primera vez cómo se comporta la naturaleza en sus momentos más rápidos y esquivos”, afirmó Kaminer.

El descubrimiento, añadió, “revela leyes universales de la naturaleza compartidas por todo tipo de ondas, desde las sonoras y los flujos de fluidos hasta sistemas complejos como los superconductores“.