difracción

Imagina un interferómetro como un oído gigante que escucha el susurro de una galaxia lejana. Tres antenas, distribuidas por continentes, captan la señal, y la diferencia de sus fases se combina en una magnitud que no depende del centelleo atmosférico. Esa magnitud se llama fase de cierre.

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

La luz que incide sobre el plástico común se refleja parcialmente, como un reflejo en una ventana. Para eliminar estos reflejos, se aplica sobre la superficie un recubrimiento especial de diminutas estructuras que anulan la reflexión.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo cambia ligeramente de dirección, como el agua que rodea una piedra en un arroyo. En el sistema solar hay muchas de estas "piedras": planetas, sus lunas, asteroides. Y cada uno de ellos, con su gravedad, curva la trayectoria de la luz que llega de estrellas lejanas.

Las olas en la superficie del agua normalmente se rompen contra cualquier obstáculo: una piedra, un pilote, una isla. ¿Pero qué pasaría si colocas los obstáculos de manera tan astuta que la ola casi no los note? En un nuevo trabajo, los científicos dispusieron sobre el agua un patrón de muchos puntos, colocados según reglas matemáticas especiales, y enviaron olas a través de ellos.

La luz en un detector de ondas gravitacionales recorre túneles de varios kilómetros, reflejándose en los espejos. Un haz perfectamente uniforme se asemeja a una sábana lisa sostenida por las esquinas.

La luz en una lente cambia de dirección, eso lo sabe todo el mundo. Las ondas gravitacionales, al pasar cerca de un cuerpo masivo, también curvan su trayectoria.

El 23 de noviembre de 2023, los detectores de LIGO captaron algo extraño. La señal de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, denominada GW231123, apuntaba a masas récord — 137 y 101 masas solares — y una rotación anómalamente rápida. Sería la pareja más masiva y de rotación más rápida jamás registrada.

Ocho puntos brillantes en el cielo radioeléctrico. Son el mismo cuásar HS 0810+2554, cuya luz atravesó una lente gravitacional: una galaxia masiva en primer plano.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo se desvía: este es el efecto de lente gravitacional, conocido por las imágenes de galaxias lejanas. Los astrofísicos tomaron como base un agujero negro en rotación (el espacio-tiempo de Kerr) y añadieron una pequeña corrección a la forma en que se propaga la propia luz.

Cuando una onda de radio encuentra un edificio en su camino, no solo se refleja o se absorbe: lo rodea, igual que las olas del mar bordean una roca dejando agua tranquila detrás. En radiofísica, este fenómeno crea una sombra de radio: un patrón complejo de zonas de refuerzo y atenuación de la señal que los científicos llaman retrato de radio.

Una onda de luz se parece a una cuerda que se sacude: vibra en un plano determinado. Esa propiedad, la polarización, revela la forma y la composición de los objetos. Pero captarla no es fácil, sobre todo si se quiere abarcar una amplia gama de colores. Normalmente se necesitan sistemas voluminosos de lentes y filtros.

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

En la sustancia blanca del cerebro, la señal viaja por los axones, largas prolongaciones de las neuronas envueltas en una vaina de mielina aislante. El agua llena el espacio dentro de los axones y también el exterior, en los estrechos intersticios entre las fibras.

Un rayo de luz entra en un vidrio esmerilado y se apaga: algo común. Pero los físicos saben desde hace tiempo cómo hacer que la luz lo atraviese sin perder ni un fotón. Ese truco se llama transparencia inducida electromagnéticamente: dos ondas de luz se cancelan mutuamente en el punto adecuado y la absorción desaparece.

Un observatorio de ondas gravitacionales se parece a un micrófono distribuido en diferentes puntos de la Tierra. Cuando llega una señal del espacio —por ejemplo, de la fusión de agujeros negros o de la explosión de una supernova—, cada micrófono escucha algo ligeramente distinto.

Unos instantes antes de un eclipse total, unas bandas de sombras rápidas se deslizan por el suelo, como las ondas que producen las piedras al caer al agua. Este fenómeno ha desconcertado a los científicos durante siglos. Resulta que todo se debe a que la luz es una onda. El Sol no es una lámpara puntual, sino un disco enorme.

Una piedra cae en un estanque y se forman ondas concéntricas en el agua. Pero una de las ondas, en lugar de expandirse, se adhiere a un pliegue invisible en la superficie y solo viaja a lo largo de él. Algo parecido han descubierto los físicos al recalcular el encuentro de la luz con una pared de dominio axiónica: una región estrecha donde el campo cambia de signo, como una cadena montañosa que separa dos laderas.

Si aplaudes en una habitación vacía, el eco revelará su tamaño y forma. Cada objeto —una silla, un libro, una persona— añade su propia firma a ese eco: el sonido se refleja en él de una manera particular. Los autores del artículo han ideado cómo reescribir por completo esa firma sonora. Rodearon una región del espacio con una superficie cerrada de micrófonos y altavoces.

Los científicos hicieron que las ondas electromagnéticas se perdieran para siempre en un laberinto tridimensional de partículas metálicas. Antes esto solo se lograba con el sonido o los electrones. La entropía —medida del caos— actuó aquí como un callejón sin salida: las ondas se superponían y se anulaban mutuamente, perdiendo dirección.

Imagina a un bailarín de tres rostros en la cresta de una ola de luz. Un rostro es el receptor, absorbiendo los fotones incidentes. Otro, un espejo perfecto que devuelve la luz. El tercero, un vidrio esmerilado que dispersa los rayos en todas direcciones. A baja velocidad, la danza es armoniosa. Pero a velocidades relativistas, la coreografía se desmorona.

Las ondas gravitacionales son el temblor del propio espacio-tiempo. Normalmente solo captamos su zumbido general, pero cada onda también tiene una dirección de oscilación: la polarización. Los mapas antiguos se construían solo con la intensidad de la señal, lo que provocaba errores.

Una partícula cargada atraviesa un sensor de silicio y deja a su paso un rastro de electrones libres. El tiempo que tarda esa carga en recolectarse en el electrodo depende de la profundidad a la que se haya generado dentro del cristal.

Un detector común de fotometría no distingue un fotón izquierdo de uno derecho. Pero en cuanto empieza a moverse, todo cambia. Un barquero rema entre dos flautistas que tocan la misma nota. Su oído está ajustado estrictamente a ella y es sordo a todas las demás alturas. Debido al movimiento, la melodía delante se vuelve más aguda y la de detrás más grave.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. Si en su camino se encuentra una rama que sobresale, parte de la ondulación se refleja y parte la rodea. De manera similar se comportan las ondas gravitacionales —la ondulación del propio espacio-tiempo— cuando pasan cerca de cúmulos de galaxias o agujeros negros.

Un espectro es como una fotografía del interior de una sustancia, tomada con luz. Cuando un haz atraviesa la muestra o se refleja en ella, las moléculas dejan en esa foto unas bandas oscuras características: los picos. Pero si la imagen está sobreexpuesta o cubierta por un velo gris, distinguir los detalles resulta casi imposible.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas que se expanden en todas direcciones. Ahora imagina que el estanque se convierte de repente en gelatina, y lo hace instantáneamente, más rápido de lo que tarda la onda en completar una cresta.

Una fila de soldados marcha por la plaza. Mientras todos mantienen el paso, el movimiento es nítido y coordinado. Pero si alguien se desfasa, la sincronía se pierde. En el mundo microscópico, los electrones desempeñan ese papel: cuando sus oscilaciones son sincrónicas, la sustancia emite una línea estrecha y aguda. En cuanto la sincronía se pierde, la línea se ensancha.

Cuando la luz pasa cerca de un cuerpo masivo como un agujero negro, su trayectoria se curva, un fenómeno predicho por Einstein.

El viento solar —una corriente de partículas cargadas proveniente del Sol— choca contra el tenue gas que llena el espacio entre las estrellas. En la colisión nace un débil resplandor de rayos X. Para los astrónomos es como una neblina frente a los faros: les impide distinguir objetos lejanos.

Los detectores de ondas gravitacionales son micrófonos que escuchan el temblor del espacio. Pero su propio ruido ahoga las señales débiles. Para oír más, los físicos añaden al instrumento una luz "comprimida" especial: reduce las interferencias cuánticas, como la cancelación de ruido en los auriculares.

Una galaxia se parece a una tortita luminosa salpicada de estrellas. Si la miras de frente, ves todo a la vez: los brazos brillantes y las capas oscuras de polvo. Pero basta con inclinar la tortita para que la imagen cambie: las capas se superponen y la luz se mezcla.

Tira una piedra a un estanque: las ondas se expandirán en círculos perfectos. Ahora imagina que en el centro del estanque no hay un simple punto, sino un embudo sin fondo, donde el agua desaparece en la nada. Los círculos alrededor de ese embudo no serán anillos comunes, sino que se curvarán como la cuerda de un arco tensado.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se extienden círculos perfectos. Pero el fondo del estanque está sembrado de piececitas de vidrio invisibles: cada una retrasa un poco la onda, en algún lugar la dispersa, en otro cambia su paso.

La luz ordinaria se dispersa en todas direcciones, como el agua de un vaso roto. Pero en algunos cristales, las ondas de luz logran agruparse en haces estrechos y fluir en una sola dirección, como el agua en un canal. Los físicos han estudiado un material así: el óxido de vanadio laminar α-V2O5. En este cristal, los átomos vibran de manera diferente a lo largo y a lo ancho de las capas.

La luz puede mantener un átomo en su lugar, como una corriente de aire sostiene una pelota ligera. Pero el átomo de disprosio no es una pelota cualquiera: en su interior tiene muchos 'engranajes' (electrones) que responden de manera diferente a la luz de distintos colores.

Un río fluye en una dirección, mientras una ola en su superficie avanza en la contraria. Esa misma dualidad ocurre en los materiales hiperbólicos: la energía de la onda luminosa y sus frentes de onda divergen, impidiendo crear una lente nítida.

Normalmente, la corriente eléctrica es igual en ambas direcciones, como el agua en una tubería recta. Pero en la frontera entre un metal normal y un superconductor, esta regla se rompe. Dos ondas en el agua, al rodear un obstáculo ancho por lados opuestos, pueden llegar con diferente retraso y encontrarse «desfasadas».

Una manguera de jardín lanza un potente chorro de agua. Si la aprietas un poco o la sacudes, el chorro empieza a serpentear como una serpiente y las salpicaduras vuelan en todas direcciones. Algo similar ocurre con los gigantescos chorros de plasma que expulsan los agujeros negros.

La luz no es solo un rayo, sino una onda con un campo eléctrico que cambia a una velocidad inimaginable para los relojes comunes. Hasta ahora, ese campo solo se podía medir en un punto, como la temperatura con un solo termómetro.