foco

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.

Si por una puerta entreabierta se cuela un olor en la habitación, uno puede pararse en medio y olfatear. Pero quien esté justo en el umbral percibirá con mayor precisión el momento en que aparece el olor. Algo parecido hace una célula cuando necesita medir la concentración de una sustancia a su alrededor.

Una cámara observa dos chispas lejanas. Están tan cerca una de la otra que se funden en una mancha borrosa. Parece imposible distinguirlas por separado: se ha superado el límite clásico de la microscopía óptica. Pero la mecánica cuántica sugiere que el campo de luz aún guarda el secreto de dónde se encuentra cada chispa.

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.

Desde que Einstein predijo el lente gravitacional, y las ondas gravitacionales fueron escuchadas por primera vez por los detectores LIGO, los físicos han soñado con captar el eco de lente: una señal repetida de una misma fusión, multiplicada por la gravedad de un…

Un rayo cósmico se acerca a un agujero negro casi en tangente. No cae de inmediato, sino que se detiene en una órbita inestable, como un acróbata que se balancea sobre una cuerda sobre el abismo. Tras dar varias vueltas, la luz finalmente escapa hacia un observador lejano. Estos rayos producen múltiples imágenes de una misma fuente, conocidas como imágenes de orden superior.

En el mundo microscópico rige el principio de exclusión de Pauli: los fermiones —partículas de espín semientero, como los electrones— no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Esta regla fundamental del modelo estándar de la física obliga a los electrones de los átomos a ocupar distintos orbitales, dando a la materia volumen y estructura.

El universo habla dos lenguajes fundamentales: la gravedad y la luz. En condiciones normales no se mezclan: las ondas gravitacionales se deslizan a través de la materia sin dejar rastro, mientras los fotones danzan en laberintos de espejos.

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

La luz, como una cuerda que se sacude, oscila en un plano determinado. Los astrónomos e ingenieros suelen rotar la imagen con un sistema de tres espejos, el llamado espejo K, pero al hacerlo, el plano de oscilación de la luz también rota involuntariamente. Para mediciones precisas, eso es un problema.

Un sensor de luz común responde a la pregunta «cuánta luz hay», pero no «de dónde viene». Para eso se usan lentes, espejos o matrices enteras. En el nuevo trabajo se propone un sensor que, sin óptica alguna, determina por sí mismo la dirección del rayo. Dentro del sensor hay una capa delgada donde los electrones se deslizan libremente, como agua en un plato poco hondo.

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.

Un haz de electrones en un acelerador se parece a una bandada de pájaros: vuela en grupo compacto, pero con el tiempo se dispersa. Para mantener las partículas juntas, normalmente se utilizan imanes pesados. Aquí se prescindió de ellos: el haz se comprimió a sí mismo.

La diminuta alga verde Chlamydomonas pasa su vida remando con sus dos flagelos hacia la luz, como un nadador hacia la orilla. Percibe la luz mediante una proteína fotorreceptora, y detrás de ella tiene una pequeña mancha roja, el 'ojo', que proyecta una sombra y ayuda a saber de dónde viene la luz.

Dos emisores diminutos, cada uno del tamaño de un átomo, pueden juntos lograr lo que por separado no podrían. Hablamos de la dispersión de la luz: cuando la luz incide sobre partículas y se esparce en todas direcciones. Normalmente, un par de partículas dispersa la luz solo un poco más que una sola.

Un haz de partículas cargadas, como una pluma fina, dibuja un patrón invisible sobre una película metálica. En los puntos que toca, el material altera el orden interno de sus átomos: de un empaquetamiento denso, similar a una pirámide de naranjas en una caja, los átomos se reorganizan en una estructura más suelta, como cubos apilados en una caja.

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.

La lente 'ojo de pez' es un vidrio inusual: su índice de refracción cambia del centro al borde de modo que cualquier rayo emitido desde un punto arbitrario se concentra en el punto exactamente opuesto. Hacer una lente así con vidrio ordinario es casi imposible, pero los físicos encontraron un camino alternativo.

Un balón de fútbol golpeado con efecto no vuela en línea recta, sino que curva su trayectoria hacia un lado. Algo similar ocurre con un rayo de luz cuando se enfoca intensamente: comienza a empujar el átomo no solo hacia adelante, sino también hacia un lado. Los físicos han medido este desplazamiento en un solo ion de calcio atrapado en una trampa de luz.

Los científicos han descrito un nuevo tipo de estrella invisible que se comporta como una lente que respira. Tal estrella está compuesta de partículas bosónicas ultraligeras (aún no descubiertas). Su atracción provoca una curvatura del espacio-tiempo, que es justamente la lente, la cual se expande y contrae rítmicamente, como si respirara.

La materia oscura es el fundamento invisible del Universo. Vera Rubin demostró su existencia por el movimiento de las estrellas, pero las partículas aún no han sido atrapadas.

La luz es una invitada caprichosa. Entra en el resonador, pero no se queda: parte del pulso se refleja inevitablemente y se lleva consigo información cuántica. Los esquemas clásicos de captura de una sola pasada chocan con este límite, por mucho que se mejore el control.

El haz de una linterna, al pasar por una rendija estrecha, no se mantiene como una línea fina, sino que se dispersa hacia los lados. La luz tiende a rodear los bordes de los obstáculos, y por eso el punto de luz más pequeño que se puede obtener con una lente ordinaria no puede ser menor que media longitud de onda.