interferómetro láser

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.

La luz en una fibra óptica se parece a un arroyo: fluye dentro del hilo de vidrio y no se derrama hacia afuera. Un hilo grueso deja pasar muchos arroyos a la vez; uno delgado, solo uno. Los astrónomos a menudo necesitan verter la luz de un hilo grueso en varios delgados para descomponerla en colores.

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.

Un microchip es como un pastel en capas: arriba, capas protectoras; dentro, secretos. Un atacante puede ir retirando las capas una a una para llegar a los secretos. El nuevo sensor vigila esto con un rayo de luz. El rayo incide en la superficie del chip con cierto ángulo.

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 bobina en una RM capta la señal de radio de los átomos de hidrógeno, como una antena capta una emisora lejana. Pero la señal es débil, y si el amplificador introduce ruido, la imagen sale granulada. En campos magnéticos débiles (más baratos y compactos que los fuertes), hay pocos amplificadores de este tipo y son caros.

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 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.

Células de un vaso sanguíneo se sembraron sobre una película transparente de 700 nanómetros de grosor, cien veces más fina que un cabello humano. Bajo la película se ocultan electrodos planos. Envían una corriente alterna débil y escuchan cómo cambia la resistencia.

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.

Las ondas de radio de baja frecuencia (de 30 a 300 kilohercios) transportan información a través del agua y la tierra. Pero captarlas con una antena convencional es difícil: la longitud de onda alcanza varios kilómetros, y un receptor pequeño apenas percibe ese campo.

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.

Un radar corriente funciona como un fotógrafo aficionado: toma una serie de fotos borrosas e intenta unirlas en una panorámica. Los detalles quedan difuminados, y en un pasillo largo o entre una multitud, el robot se pierde con facilidad. El principio es simple: como un murciélago, el radar emite una onda y capta el eco.

Un láser es como un diapasón que suena en una sola nota. Pero incluso en el silencio absoluto, su sonido tiembla un poco. Antes se creía que ese temblor —los empujones aleatorios debidos a la emisión espontánea de luz por los átomos dentro del láser— era el límite principal de precisión.

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 el silencio absoluto hay que oír caer una pluma. Pero alguien no deja de hacer ruido con una bolsa. Para el observatorio espacial LISA, ese "ruido" serán las partículas cargadas procedentes del espacio.

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.

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.

El universo está impregnado de una sustancia invisible: la materia oscura ultraligera, que no choca con la materia ordinaria pero puede temblar como una cuerda tensa. Sus vibraciones alteran las propiedades más fundamentales: la carga del electrón, la velocidad de la luz, como si la afinación de una nota cósmica fluctuara ligeramente.

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.

Los físicos propusieron un experimento: el haz láser actúa como detector cuántico y se divide en dos haces-oreja. Cada oreja se dirige a través de una diminuta nube de átomos ultrafríos —en ese estado los átomos se funden en una sola onda.

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.

Las ondas gravitacionales son como ondas en el tejido del espacio, análogas a los círculos en el agua cuando se lanza una piedra. En la Tierra, el ruido del tráfico, las mareas y los terremotos las ahogan, como una tormenta que agita un lago impidiendo ver las ondas más débiles. El proyecto LILA traslada el detector a la Luna, donde reina un silencio sin viento.

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 cámara ultrarrápida capaz de filmar el movimiento de los electrones es el interferómetro de attosegundos. Este envía dos pulsos láser a la materia con un diminuto retraso. El primero, ultravioleta, como un destello, arranca un electrón de la molécula.

Un guardia debe revisar cinco habitaciones, pero no puede entrar. Llama a la puerta y escucha: el silencio indica que hay alguien dentro, mientras que el eco revela que la habitación está vacía.

Los átomos en un haz viajan a diferentes velocidades, como corredores en un estadio. Un pulso láser ordinario empuja solo a aquellos que corren a una misma velocidad, pero el nuevo actúa como un entrenador que da órdenes a todo el grupo a la vez. Este enfoque involucra a más átomos en la medición.

Cuando la luz atraviesa un medio turbio —por ejemplo, un vaso de leche o un vidrio esmerilado— se dispersa en todas direcciones. Pero a veces, en lugar de dispersarse, queda atrapada en diminutos «bolsillos» dentro del material. Estos bolsillos son lo que los físicos llaman modos localizados: la luz cae en una trampa y no puede escapar.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

Un electrón en un átomo se parece a un tenista esperando el saque. El destello de luz es la pelota que viaja a una velocidad imposible de seguir con el ojo. El nuevo dispositivo captura el momento en que la raqueta toca la pelota con una precisión que antes era inimaginable.

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

Se encuentran microplásticos incluso en glaciares de montaña y en alimentos. La espectroscopía convencional —análisis por luz— requería costosos detectores para la radiación infrarroja invisible. El nuevo método lo evita: el dispositivo crea un par de gemelos de luz.

Un gravímetro atómico funciona como una balanza de precisión para la fuerza de gravedad: lanza una nube de átomos y observa con qué rapidez caen. Pero estos instrumentos tienen una interferencia oculta: la forma de la señal que emiten está ligeramente deformada.

Cuando un avión se aproxima al aterrizaje o un submarino navega a ciegas, el navegante necesita un instrumento que no pierda el hilo del movimiento. Los giroscopios convencionales basados en ondas atómicas son muy precisos, pero tienen una manía: la señal se repite como el patrón de un papel pintado, y después de medio paso el patrón empieza a parecer el mismo.

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».

Dos rayos láser, como dos lápices, dibujan una escala invisible en la pared. Una punta se mueve un poco más rápido que la otra, y según cómo sus trazos coinciden o se separan, se puede calcular la distancia a la pared con una precisión del grosor de una telaraña.

El receptor no capta ondas de radio, sino luz submilimétrica: lo que emiten las nubes frías de gas y polvo en galaxias lejanas. En su interior hay una rejilla de diminutos resonadores, cada uno sintonizado a su propia frecuencia, como las cuerdas de un piano a las notas.