Los físicos demostraron que los fotones pueden parecer salir de un material antes de entrar en él, revelando evidencia observacional de tiempo negativo.
Negative Time
© Sean Gladwell/Getty ImagesEl tiempo puede tomar valores negativos en el reino cuántico.
Los físicos cuánticos están familiarizados con fenómenos extravagantes y aparentemente absurdos: los átomos y las moléculas a veces actúan como partículas y otras como ondas; las partículas pueden conectarse entre sí mediante una «espeluznante acción a distancia», incluso a grandes distancias; y los objetos cuánticos pueden separarse de sus propiedades como el Gato de Cheshire de Alicia en el País de las Maravillas se separa de su sonrisa. Ahora, investigadores dirigidos por Daniela Angulo, de la Universidad de Toronto, han revelado otro extraño resultado cuántico: los fotones, partículas ondulatorias de luz, pueden pasar una cantidad de tiempo negativa desplazándose por una nube de átomos fríos. En otras palabras, los fotones pueden parecer salir de un material antes de entrar en él.

«Ha costado 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 ¡ya está en marcha!», escribió Aephraim Steinberg, físico de la Universidad de Toronto, en un post en X (antes Twitter) sobre el nuevo estudio, que se subió al servidor de preimpresiones arXiv.org el 5 de septiembre y aún no ha sido revisado por pares.

La idea de este trabajo surgió en 2017. En ese momento, Steinberg y un colega de laboratorio, el entonces estudiante de doctorado Josiah Sinclair, estaban interesados en la interacción de la luz y la materia, específicamente en un fenómeno llamado excitación atómica: cuando los fotones pasan a través de un medio y son absorbidos, los electrones que giran alrededor de los átomos en ese medio saltan a niveles de energía más altos. Cuando estos electrones excitados vuelven a su estado original, liberan la energía absorbida en forma de fotones reemitidos, lo que introduce un retardo en el tiempo de tránsito observado de la luz a través del medio.

El equipo de Sinclair quería medir ese retardo (que a veces se denomina técnicamente «retardo de grupo») y averiguar si depende del destino de ese fotón: ¿era dispersado y absorbido dentro de la nube atómica, o bien era transmitido sin interacción alguna? «En aquel momento, no estábamos seguros de cuál era la respuesta, y nos pareció que una pregunta tan básica sobre algo tan fundamental debería ser fácil de responder», afirma Sinclair. «Pero con cuanta más gente hablábamos, más nos dábamos cuenta de que, aunque todo el mundo tenía su propia intuición o conjetura, no había un consenso de expertos sobre cuál sería la respuesta correcta». Dado que la naturaleza de estos retardos puede ser tan extraña y contraintuitiva, algunos investigadores habían descartado el fenómeno por carecer efectivamente de sentido para describir cualquier propiedad física asociada a la luz.

Después de tres años de planificación, su equipo desarrolló un aparato para poner a prueba esta cuestión en el laboratorio. Sus experimentos consistían en disparar fotones a través de una nube de átomos de rubidio ultrafríos y medir el grado de excitación atómica resultante. El experimento deparó dos sorpresas: A veces los fotones pasaban indemnes, pero los átomos de rubidio aún se excitaban, y durante el mismo tiempo que si hubieran absorbido esos fotones. Más extraño aún, cuando los fotones eran absorbidos, parecían ser reemitidos casi instantáneamente, mucho antes de que los átomos de rubidio volvieran a su estado básico, como si los fotones, en promedio, abandonaran los átomos más rápido de lo esperado.

El equipo colaboró entonces con Howard Wiseman, físico teórico y cuántico de la Universidad Griffith de Australia, para encontrar una explicación. El marco teórico que surgió demostró que el tiempo que estos fotones transmitidos pasaban como una excitación atómica coincidía perfectamente con el retardo de grupo esperado adquirido por la luz - incluso para los casos en los que parecía que los fotones eran reemitidos antes de que la excitación atómica hubiera menguado.

Para entender este hallazgo sin sentido, se puede pensar en los fotones como los objetos cuánticos difusos que son, en los que la absorción y reemisión de cualquier fotón a través de una excitación atómica no está garantizada que ocurra en una cierta cantidad fija de tiempo, sino que más bien tiene lugar a través de una gama probabilística de valores temporales. Como demuestran los experimentos del equipo, estos valores pueden abarcar casos en los que el tiempo de tránsito de un fotón individual es instantáneo o, extrañamente, cuando concluye antes de que haya cesado la excitación atómica, lo que da un valor negativo.

«Puedo asegurarles que esta predicción nos sorprendió por completo», afirma Sinclair, refiriéndose a la coincidencia entre el retardo de grupo y el tiempo que los fotones transmitidos pasaron como excitaciones atómicas. «Y en cuanto estuvimos seguros de que no nos habíamos equivocado, Steinberg y el resto del equipo -yo ya me había trasladado para hacer un postdoctorado en [el Instituto Tecnológico de Massachusetts]- empezaron a planear un experimento de seguimiento para poner a prueba esta loca predicción del tiempo de permanencia negativo y ver si la teoría se sostenía».

Ese experimento de seguimiento, el dirigido por Angulo que Steinberg promocionó en X, puede entenderse considerando las dos formas en que puede transmitirse un fotón. En una de ellas, el fotón lleva una especie de anteojeras e ignora el átomo por completo, marchándose sin siquiera asentir. En la otra, interactúa con el átomo, elevándolo a un nivel de energía superior, antes de ser reemitido.

«Cuando se ve un fotón transmitido, no se puede saber cuál de las dos cosas ha ocurrido», afirma Steinberg, y añade que, dado que los fotones son partículas cuánticas en el reino cuántico, los dos resultados pueden estar en superposición: ambas cosas pueden ocurrir al mismo tiempo. «El dispositivo de medición acaba en una superposición de medir cero y medir algún pequeño valor positivo». Pero correspondientemente, señala Steinberg, eso también significa que a veces «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 el signo equivocado, un valor negativo, para este tiempo de excitación.»

Los resultados de las mediciones en el experimento de Angulo y sus colegas sugieren que los fotones se movieron por el medio más rápido cuando excitaron los átomos que cuando éstos permanecieron en su estado básico. (Los fotones no están comunicando ninguna información, por lo que el resultado no contradice el límite de velocidad de «nada puede viajar más rápido que la luz» establecido por la teoría especial de la relatividad de Einstein).

«Un retardo temporal negativo puede parecer paradójico, pero lo que significa es que si se construyera un reloj «cuántico» para medir cuánto tiempo pasan los átomos en el estado excitado, la aguja del reloj, en determinadas circunstancias, se movería hacia atrás en lugar de hacia delante», afirma Sinclair. En otras palabras, el tiempo en que los fotones fueron absorbidos por los átomos es negativo.

Aunque el fenómeno es asombroso, no tiene ninguna repercusión en nuestra comprensión del tiempo en sí - pero sí ilustra una vez más que el mundo cuántico aún depara sorpresas.

«[Angulo] y el resto del equipo han logrado algo realmente impresionante y han producido un hermoso conjunto de medidas. Sus resultados plantean cuestiones interesantes sobre la historia de los fotones que viajan a través de medios absorbentes y hacen necesaria una reinterpretación del significado físico del retardo de grupo en óptica», afirma Sinclair.

Una versión de este artículo apareció originalmente en Spektrum der Wissenschaft y se reproduce con permiso.