La ley universal de la física descubierta gracias a una gota de aceite de oliva

Parece un experimento simple: con tan solo dos espejos y una gota de aceite de oliva un equipo de científicos logró descubrir una ley universal de la física.

Pero claro, no son cualquier tipo de espejos. Son unos de extrema calidad, curvados y cuyo tamaño es entre 10 y 50 veces menor que el grosor de un pelo.

Aunque, si sirve de algo, el aceite de oliva sí es uno común, comprado en el supermercado, reconoce el doctor en física mexicano Said Rodríguez a BBC Mundo.

Rodríguez lidera al equipo en el instituto científico neerlandés AMOLF que a mediados de abril publicó un estudio que develó una nueva ley universal de la física experimentando con partículas de luz, es decir, con fotones.

La explicación de esta ley, publicada en la revista Physical Review Letters, abarca a fotones interactuando con otros fotones del presente y del pasado al mismo tiempo.

Así que mejor vayamos arrojando luz de a poco.

Tres conceptos clave

Todo empieza con el concepto de biestabilidad.

"Imagina que tienes un bit de computadora que puede estar en dos estados: 0 o 1. El tema es que tienes un solo comando. O sea que, si presionas un botón, hay una probabilidad de que el bit caiga en 0 o caiga en 1", dice el investigador.

Ahora viene el segundo concepto: la biestabilidad en un sistema con memoria.

Rodríguez cambia de paralelismo: "Ahora imagina que tienes una moneda, la tiras al aire y sale cara. Entonces la tiras una segunda vez. El resultado, ¿depende de que antes haya salido cara?".

"No debería y para la mayor parte de los sistemas, no depende", dice. "Pero para este sistema sí. Eso es lo que lo hace especial".

En otras palabras, la probabilidad depende de lo que sucedió en el pasado, de su historia. Por eso se dice que el sistema tiene memoria.

Y ahora llega el tercer concepto, donde se suma la luz.

"Desafortunadamente, es muy difícil crear biestabilidad para la luz", dice el físico, pues "requiere que la luz interactúe con sí misma y esto prácticamente nunca ocurre en el espacio libre".

"Cuando dos rayos láser se cruzan, continúan propagándose como si nunca se vieran", dice, ejemplificando con que los sables de luz como los que se muestran en las películas de Star Wars no existen en un ambiente normal.

El truco es que sí interactúan en ciertos materiales. Es entonces que el experimento se condimenta con una gota de aceite.

Una idea desde México

"La clave está en atrapar a la luz, confinarla en un espacio muy pequeño", explica Rodríguez.

Esa es la función de los dos pequeños espejos curvos que forman parte del experimento, los cuales se colocan muy cerca el uno del otro, con una gota de aceite de oliva en el medio, dentro de una cavidad.

"Estos espejos permiten a la luz rebotar muchas veces de un lado a otro, pasando por el aceite de oliva. Es justamente ahí que se genera esa interacción entre fotones", cuenta.

El físico nacido en Monterrey cuenta que sabía de investigaciones que habían constatado la interacción de fotones en aceite de ricino.

Probaron con este y con aceite de macadamia, pero fue en una revista de física aplicada de México, en un artículo publicado en español, que Rodríguez y su equipo encontraron un reporte de un efecto curioso hallado con la luz interactuando en aceite de oliva.

"Literalmente fuimos al supermercado y compramos el aceite de oliva", cuenta.

El experimento funcionó: "Descubrimos que el aceite de oliva permite las interacciones más fuertes de la luz consigo mismo".

La nueva ley

Entonces, ¿cuál fue el descubrimiento del grupo Fotones Interactuando del instituto AMOLF que Rodríguez dirige?

El hallazgo sucedió cuando comenzaron a desplazar los espejos, a variar la distancia entre ellos.

Fue así que notaron que la biestabilidad desaparece a una velocidad universal, independiente de parámetros como la intensidad de la luz.

En palabras de Rodríguez: "La ley universal que descubrimos está relacionada con la velocidad a la que la biestabilidad se desvanece en los sistemas con memoria".

Para explicarlo mejor, volvamos al paralelismo con la moneda.

"Empiezas con una moneda que puede tener cara o cruz, y conforme aumenta la velocidad a la que tiras una moneda, la moneda se vuelve de una sola cara", dice el físico.

"Ya no puede tener dos caras. Es una sola. Decirte que siempre cae del mismo lado sería equivocado porque ya no hay dos lados, sino uno", agrega.

¿Te resulta raro? El propio Rodríguez es el primero en reconocerlo.

"Todo esto suena como algo muy abstracto o específico, pero hay muchos sistemas que tienen esta propiedad de que su respuesta no es independiente de su pasado, o sea, que tienen memoria", afirma Rodríguez.

Y como las ecuaciones que describen su sistema "son muy similares a las que describen muchos otros sistemas en física, química, biología e ingeniería", es que la ley que han encontrado es considerada universal.

Aplicaciones prácticas

"La observación de la biestabilidad óptica en una cavidad llena de aceite de oliva es probablemente la parte más relevante de nuestra investigación para futuras aplicaciones", dice el investigador.

Es que la biestabilidad se usa en muchas tecnologías modernas, ya que es una forma eficaz de codificar información.

Sin embargo, el sistema en el que este equipo internacional logró la biestabilidad "permite un alto grado de control y se puede operar con muy poca potencia de luz. Estas propiedades lo hacen muy atractivo para aplicaciones".

Rodríguez enumera tres posibles aplicaciones: sensores para detectar partículas diminutas, dispositivos que permitan transportar luz de maneras poco usuales y computadores ópticos que puedan procesar cantidades de información que exceden la capacidad de las computadoras comunes actuales.

En el caso de este último ejemplo, el físico no habla de hacer computadoras que en el corto plazo sustituyan a las nuestras.

"Pero hay ciertos problemas que son muy específicos pero muy importantes, en los cuales las computadoras modernas, ordinarias, digitales son bastante malas, pues son muy lentas", explica.

Se trata de problemas de optimización de gran relevancia en muchas áreas de la ciencia y tecnología, y en distintas industrias.

Un ejemplo es lo que sucede cuando uno busca en una aplicación de mapas cómo llegar de A a B.

"¿Qué es lo que harías para encontrar rápidamente la distancia más corta?", se pregunta el científico. "Pues tendrías que buscar todos los distintos caminos y medirlos".

Para ello, realizas un cálculo en serie: primero hallas el camino uno, luego el dos, el tres, el cuatro y así hasta completarlos todos y definir cuál fue el más corto. Una computadora común haría lo mismo.

"En nuestro sistema no se procedería en serie, sino en paralelo: puede explorar todos los caminos a la vez", explica.

Claro que ese cálculo optimizado no se lograría con dos espejos y una gota de aceite de oliva, sino con "redes de cavidades, o sea, muchos, muchos espejitos, uno al lado del otro, interactuando entre sí".

Quizás a esta altura estés pensando que ese mismo problema es el que buscan solucionar las computadoras cuánticas en las que están trabajando grandes compañías como IBM y Microsoft, así como institutos de investigación y gobiernos de todo el mundo.

Rodríguez afirma: "La ventaja, desde mi punto de vista, es que nuestro sistema puede operar a temperatura ambiente y es mucho más fácil de manejar y de fabricar" que uno cuántico.

¿Y qué sucede con la nueva ley universal en sí misma? El investigador no cree que de inmediato tenga aplicaciones.

"Sin embargo, nos hace conscientes de una característica de este tipo de sistemas que debemos tener en cuenta para futuras aplicaciones", dice Rodríguez.

"Es sorprendente que una simple gota de aceite de oliva haya revelado tanta física nueva y estoy muy entusiasmado con lo que aún espera a ser descubierto en este sistema simple".

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