fotón

La luz en una habitación normal desaparece al instante en cuanto apagas la lámpara. En una cavidad diminuta de nitruro de silicio, un fotón puede rebotar entre las paredes 80 000 veces antes de perderse. Es como si una pelota lanzada en una habitación rebotara en las paredes casi sin perder velocidad.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

En 2021, el observatorio LHAASO registró fotones gamma con energías superiores al petaelectronvoltio procedentes de fuentes como la Nebulosa del Cangrejo, el remanente de una explosión de supernova en cuyo centro late una estrella de neutrones.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

En una luz muy tenue, los fotones llegan uno a uno, como gotas de un grifo que gotea — nunca en pares. Este efecto, predicho por Roy Glauber y confirmado por Leonard Mandel, demuestra directamente que la luz está compuesta de partículas.

Sería un billar extraño si las bolas no tuvieran masa. No chocarían, sino que pasarían unas a través de otras sin notar obstáculos. Así se ve aproximadamente el intento de imaginar la luz como un flujo de partículas clásicas: pequeños corpúsculos elásticos que vuelan en línea recta. Una nueva demostración pone fin a esta imagen.

Entender el efecto fotoeléctrico —cuando la luz arranca electrones de un material— es como aprender a cocinar sin receta. Las herramientas digitales vienen al rescate: los juegos dan intuición, las simulaciones, precisión.

Una carga que se mueve con aceleración normalmente emite luz — es un hecho cotidiano. Pero los físicos han descubierto que si la carga se desliza por una trayectoria especial, su radiación se comporta de manera diferente.

La luz solar incide sobre la materia y cada fotón expulsa un electrón. Ese es el orden habitual, por el cual las baterías comunes no pueden convertir en electricidad más de un tercio de la energía: el resto se disipa en calor.

En el mundo cuántico, la luz y la materia intercambian energía constantemente. Antes se describían de forma estática, como posturas congeladas. El nuevo enfoque sigue la danza misma: las transiciones entre estados, como un flujo continuo de movimientos.

El hidrógeno es el elemento más abundante. Sus átomos son como antenas: emiten y absorben luz en frecuencias muy específicas. Einstein predijo que el espacio-tiempo puede ondularse: son las ondas gravitacionales.

Antes de montar un enorme rompecabezas, hay que fabricar las piezas; de lo contrario, la imagen no se completa. En los ordenadores cuánticos basados en fusión, el papel de esas piezas lo desempeñan diminutos cúmulos de luz: los estados de recurso fotónico. Se hacen colisionar y se miden para ir tejiendo gradualmente el tejido computacional.

Un agujero negro es como una caja fuerte perfecta: todo lo que cae dentro desaparece sin dejar rastro. Pero en la década de 1970, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking descubrieron que el horizonte tiene una "etiqueta" indestructible: la entropía (una medida de la información oculta sobre la materia…

Un columpio solo se balancea si lo empujas acompasadamente. Si te desvías un poco del ritmo, el esfuerzo se pierde. De manera similar, la luz interactúa con el núcleo atómico: normalmente un fotón se absorbe solo cuando su energía coincide exactamente con la diferencia entre los niveles nucleares.

Un flash fotográfico común dura milésimas de segundo. Un pulso de attosegundos es un billón de veces más corto: en el tiempo que dura, la luz recorre una distancia menor que el tamaño de un átomo.

Cada otoño, un petirrojo del tamaño de una nuez se lanza desde una rama en algún lugar cerca de San Petersburgo y vuela hacia el sur, rumbo al Mediterráneo, sin consultar jamás un mapa. Se cree que en su ojo funciona una brújula magnética integrada, y la pieza clave de este dispositivo es la proteína criptocromo 4a.

La luz es el mensajero más rápido, pero no sabe esperar. Para que las computadoras cuánticas intercambien mensajes, se necesita una memoria que atrape un fotón y lo sostenga hasta que el destinatario esté libre. En el vapor caliente de un metal, los átomos se mueven como abejas en una colmena, y cada uno con su movimiento corrompe la grabación.

Un sobre postal ordinario tiene forma rectangular, y la carta en su interior no cambia las propiedades del sobre. Con los fotones, partículas de luz, la situación es diferente: su 'forma' en el tiempo puede variar, y esa forma en sí misma transporta información.

Una lámina ordinaria de fósforo negro se parece a un pastel de capas de átomos. Si la iluminas con una lámpara común, no ocurre nada especial: los electrones permanecen quietos, como espectadores en una sala oscura. Pero un destello láser corto, que dura millonésimas de milmillonésima de segundo, sacude esa sala.

La luz puede transportar información más rápido que cualquier electrónica. Pero normalmente, entre el ordenador y el láser se encuentra un convertidor digital-analógico, un dispositivo que convierte los ceros y unos en señales eléctricas. Es precisamente lo que frena todo el proceso. El nuevo transmisor prescinde de este intermediario.

La luz normalmente empuja a un átomo en línea recta, como el viento a una vela. Pero si el rayo se retuerce como un sacacorchos, la imagen cambia: el átomo puede salir despedido hacia un lado, como si lo hubiera enganchado una rueda giratoria.

Un grifo del que el agua no sale en chorro, sino estrictamente de a una gota: así se puede describir la fuente de fotones individuales que presentan los autores. En la luz ordinaria, los fotones viajan en multitud, como el agua de un grifo abierto.

Dos rayos láser de distinto color inciden sobre un cristal y, en su interior, de vez en cuando nacen tríos de partículas de luz, como tres monedas que caen de una misma ranura de una máquina expendedora. Por primera vez se ha logrado que este proceso sea suficientemente eficiente: por segundo se obtenían 11,6 tríos. Los rayos eran uno verde y otro infrarrojo invisible.

Por la noche, en una habitación oscura, el cuerpo humano brilla de forma apenas perceptible. Esta luz es tan débil que solo la captan instrumentos muy sensibles. Algunos científicos pensaron que ese brillo de la cabeza podría revelar la actividad cerebral, sin tomógrafos ni cables. Pero la verificación mostró otra cosa.

La luz en la fibra óptica es un flujo de fotones, y para la comunicación cuántica se necesitan fotones individuales que puedan enviarse uno a uno. Pero lograr que salgan rápidamente y además sean indistinguibles entre sí es una tarea difícil.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

Según la mecánica clásica, el electrón en un átomo debería girar en espiral alrededor del núcleo y caer rápidamente sobre él, como un surfista que pierde velocidad y se cae de la tabla. Pero los átomos viven miles de millones de años. Porque el cosmos no está vacío. Incluso en el vacío absoluto hay un mar electromagnético invisible: el campo de punto cero.

La luz es un flujo de fotones y, normalmente, un fotón no tiene momento magnético: no se desvía con un imán como las limaduras de hierro.

Un punto luminoso del tamaño de una molécula. Se hace pasar una corriente a través de él y se enciende como una diminuta bombilla. Así es el experimento con moléculas de colorante sobre una fina película de sal. Cuando la corriente alcanza la molécula, un electrón le transfiere energía. La molécula devuelve esa energía de inmediato en forma de luz.

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.

El protón no puede verse como una simple bolita. Si lo golpeas con un fotón, puede absorber energía y pasar a un estado excitado, como una campana que empieza a vibrar a una frecuencia determinada tras el golpe. Estos estados se denominan resonancias de nucleones y viven muy poco tiempo antes de desintegrarse en otras partículas.

Cuando un rayo de sol cae sobre una hoja, dentro de ella comienza una carrera de relevos. La energía de la luz pasa de una molécula de clorofila a otra hasta llegar al centro de reacción, el lugar donde se pone en marcha la química de la vida. Esta carrera se desarrolla con una precisión asombrosa: casi cada cuanto de luz encuentra su camino.

El átomo de hidrógeno es como un diminuto reloj que late con una precisión con la que los ingenieros solo pueden soñar. Cuando un electrón salta entre órbitas, absorbe o emite luz de una frecuencia estrictamente definida: ese es su "tictac".

Un flujo de electrones se puede comparar con el haz de un puntero láser: si diverge, la mancha en la pared se extiende rápidamente. En el laboratorio, los físicos han creado un haz tan estrecho que permanece fino a gran distancia, como el de un buen puntero.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono que se asemeja a un panal de abejas. Los electrones en ella se mueven tan rápido como si no tuvieran masa, igual que la luz. Cuando un potente pulso láser incide sobre la lámina, los electrones reciben un empujón y comienzan a acelerarse.

Si la luz pudiera embotellarse, los científicos tendrían una cadena de montaje perfecta: una botella, exactamente un fotón, sin una gota de más. Estas partículas de luz individuales son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras: transportan información que no puede ser espiada sin ser detectada.

Un pulso láser incide en una diminuta cavidad de cristal transparente. En su interior, la luz rebota entre espejos y, a veces, un fotón se divide en un par: uno vuela hacia un lado y el otro hacia el otro. Uno de ellos se convierte en la señal, y el segundo actúa como un 'timbre' que avisa: el fotón individual está listo.

El protón no es una esfera lisa, sino una maraña de partículas más pequeñas que están en constante movimiento. Para mirar en su interior, los físicos disparan electrones contra el protón y observan cómo rebotan. El nuevo aparato, el Colisionador de Electrones e Iones, hará esto con una precisión sin precedentes.

La luz en un anillo diminuto es como el agua en un canal cerrado: si el flujo es demasiado fuerte, las paredes empiezan a vibrar y el canal cambia de forma. En los microanillos ópticos, el papel del agua lo desempeña el rayo láser, y el de las paredes, una pista cristalina de grosor menor que un cabello.