interferometría

De noche, en la cima de un volcán, seis telescopios apuntan al mismo puntito de luz. Cada uno captura su copia de la onda, y si se combinan sus señales, se obtiene una imagen que ningún instrumento por sí solo podría lograr. Pero hay un detalle: la luz captada por diferentes estaciones no se puede simplemente sumar como si fueran fotografías.

Cada segundo, miles de aviones de pasajeros en el cielo envían señales de radio, así los controladores ven dónde vuela cada aeronave. Estas señales no viajan en línea recta: el aire con diferente humedad las curva como una lente. Si se capta la curvatura, se puede calcular dónde el aire es más seco y dónde más húmedo.

Una red de radiotelescopios repartidos por todo el planeta capta el susurro de un agujero negro lejano. Cada antena registra la señal, pero ¿cómo combinar esas grabaciones si los relojes de las estaciones avanzan a ritmos distintos y la atmósfera distorsiona las ondas que llegan?

La luz que no llega a la cámara deja igualmente su huella en ella. Así funciona el nuevo método de fotografía: se ilumina el objeto con un color y la imagen se compone a partir de otro. En el cristal, las ondas de luz se mezclan y la información sobre lo invisible se transfiere al rayo visible. En el experimento se utilizó un cristal de tiogalato de plata.

Los dos estados del átomo de estroncio son como dos gemelos que corren por la misma pista, pero uno va ligeramente más alto que el otro. Normalmente, la luz que se usa para controlar los átomos empuja a un gemelo con más fuerza y al otro con menos. Aquí se eligió una longitud de onda de 813 nanómetros, 'mágica', en la que ambos reciben el mismo empujón.

La luz que atraviesa un vaso de agua turbia se debilita: parte de ella se absorbe. Así funcionan muchos instrumentos para analizar líquidos: miden cuánta luz se ha perdido y, con ello, deducen la composición. Pero si el líquido no es homogéneo, como una sopa con tropezones, un solo número no basta: hay que saber dónde se absorbió más.

La luz que atraviesa un vaso de agua turbia se debilita: parte de ella se absorbe. Así funcionan muchos instrumentos para analizar líquidos: miden cuánta luz se ha perdido y, con ello, deducen la composición. Pero si el líquido no es homogéneo, como una sopa con tropezones, un solo número no basta: hay que saber dónde se absorbió más.

Una linterna normal ilumina en todas direcciones, y a los pocos metros su haz se debilita tanto que apenas ilumina una pared. La atmósfera dispersa la luz, y el viento y las corrientes térmicas la distorsionan aún más. Pero si se coloca un tubo invisible para la luz directamente en el aire, el haz viajará por él como el agua por una manguera.

La orquesta toca, pero los músicos no se oyen entre sí. El director detiene la música una y otra vez y se acerca a cada uno para afinar el instrumento. Así funcionan aproximadamente los telescopios espaciales con espejos segmentados.

Fotografiar un exoplaneta alrededor de otra estrella es como intentar ver una luciérnaga frente a un reflector. La atmósfera terrestre no deja de agitarse, y en el telescopio eso se ve como manchas danzantes: los speckles.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

Un estallido rápido de radio es una breve pero potente emisión de ondas de radio proveniente del espacio lejano. Al llegar hasta nosotros, la señal atraviesa nubes de gas disperso, y cuanto más gas hay en el camino, más se dispersa la señal en frecuencias.

Cada noche, cientos de observatorios escrutan el cielo, pero los planetas de otras estrellas siguen siendo fantasmas. Su luz es miles de millones de veces más débil que el resplandor de su estrella madre — la tarea parece desesperada.

Dos fotones se encuentran en un espejo semitransparente. Si llegan exactamente al mismo tiempo, siempre salen juntos, codo con codo, como gemelos que no quieren separarse. Este efecto, descubierto en 1987, se convirtió en la base de una regla cuántica para medir diminutos retrasos.

Las señales de radio en una habitación se comportan como el sonido en una sala de conciertos: al rebotar en paredes y objetos, crean un patrón irrepetible, una melodía silenciosa de cada lugar. El teléfono, como un oído atento, capta esa melodía entre interferencias y distorsiones. Memoriza qué acorde corresponde a la esquina del sofá y cuál al marco de la puerta.

Las antenas convencionales, para determinar la dirección con precisión, deben trabajar de forma coordinada: captan no solo la intensidad, sino también la fase de la onda en cada instante. El más mínimo error de calibración y la dirección se pierde. El nuevo método se basa únicamente en la intensidad de la señal.

Las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros suenan como acordes graves, los púlsares marcan el ritmo y la radiación cósmica de fondo nos trae ecos del Big Bang. Pero hay un intérprete silencioso: la materia oscura, cuya presencia solo se revela por sus efectos gravitacionales.

En un sistema binario cercano, una estrella caliente, como un reflector, ilumina a su compañera más fría. Parte de la luz se dispersa en los electrones libres de su atmósfera —esto es dispersión Thomson— y adquiere polarización lineal.

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.

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…

Dos micrófonos sensibles escuchan el universo. Uno oye un zumbido grave, el otro casi nada. No es que estén averiados, sino cómo están orientados. Los observatorios de ondas gravitacionales como LIGO no solo captan los estallidos fuertes de las fusiones de agujeros negros.

Los cables submarinos de internet que envuelven el planeta funcionan como un oído gigante. La fibra de vidrio en su interior responde a los movimientos del agua: las corrientes, las mareas y los terremotos lejanos curvan el cable.

Imagina una capa multicapa donde las capas de metal y aislante se alternan como las hojas de un libro. Esta estructura puede hacer invisible a un observador el objeto escondido en su interior. La luz lo rodea, como el agua fluye suavemente alrededor de una piedra lisa: sin ondas ni salpicaduras, sin reflejos ni sombras.

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.

El universo está impregnado de masa invisible: la materia oscura, cuya existencia fue propuesta por primera vez por Fritz Zwicky en la década de 1930, al observar el movimiento de las galaxias en los cúmulos.

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.

El cerebro se parece a una ciudad ruidosa, donde cada barrio se ocupa de sus propios asuntos. Las neuronas se comunican mediante señales eléctricas, y a veces es necesario dirigirse a una manzana concreta sin molestar a los vecinos.

Un intérprete graba una conversación de muchas horas. Si intenta retener todo el diálogo en la cabeza, al final inevitablemente tergiversará detalles. Más o menos así funcionan los observatorios de ondas gravitacionales: escuchan la «conversación» de cuerpos masivos que se acercan en espiral.

Un micrófono ultrasensible no escucha el sonido, sino el temblor del propio espacio. Así funcionan los detectores de ondas gravitacionales: LIGO, Virgo, KAGRA.

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.

Lanza dos piedras a un estanque al mismo tiempo: las ondas en el agua se propagarán de manera uniforme y coordinada. Así ocurre en un interferómetro cuántico: una partícula se divide en dos ondas que viajan por caminos distintos y luego se reencuentran. En el caso ideal, sus crestas coinciden.

Un telémetro común envía un solo pulso de luz y espera su regreso, como una persona que grita al vacío y escucha el eco. Pero si se encienden varias fuentes que brillan al unísono y se analiza no el volumen, sino el ritmo del diálogo de los destellos reflejados, la imagen se vuelve más nítida.

A la luz le gusta la simetría: en un canal abierto fluye igual en ambas direcciones. Para dirigirla hacia uno solo, los físicos suelen usar imanes. Un nuevo enfoque prescinde de ellos, empleando la rotación —a la velocidad de un disco de vinilo— y la interferencia de dos átomos.

La escena está iluminada por reflectores, pero los eventos más interesantes ocurren en las sombras, donde se esconden moléculas invisibles al ojo. La nueva cámara capta el calor de estas 'invisibles' y lo convierte en luz ordinaria.

Un censo que solo registra la distancia entre casas pierde mucha información. Puede revelar dónde están las ciudades y dónde los pueblos, pero no distingue un rascacielos de una zona residencial.

La cámara toma una foto, pero el sensor introduce ruido, la óptica desenfoca y parte de los píxeles quedan sobreexpuestos. Recuperar la imagen original es como adivinar una melodía a partir de un disco rayado: hay muchas posibilidades y no está claro cuál es la verdadera.

Ya en la década de 1960, el físico Joseph Weber intentó captar ondas gravitacionales con cilindros de aluminio que debían vibrar como diapasones por la ondulación del espacio-tiempo.

Un telescopio solar se parece a un ojo que intenta distinguir a una hormiga a través de una sopa hirviendo. El cielo diurno deslumbra, el aire tiembla y la imagen se desdibuja. Para congelarla se necesita óptica adaptativa: un sistema que adivina las distorsiones y las corrige cientos de veces por segundo.

La luz solar incide sobre una oblea de silicio y en el circuito aparece una corriente. Es el funcionamiento habitual de una célula fotoeléctrica: la luz expulsa electrones y la unión p-n (la frontera entre dos capas con distinta conductividad) los obliga a moverse en una dirección.