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18 de enero de 2018
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¿Cómo ves?
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Agujeros en el tiempo
Ilustraciones: Eva Lobatón

Agujeros en el tiempo

Daniel Martín Reina

Los metamateriales, producto de la nanotecnología, ya se están usando para crear algo parecido a una capa de invisibilidad para ocultar objetos en el espacio. Ahora podrían aplicarse para hacer invisible un acontecimiento en el tiempo.

A primera vista, el caso no tenía nada de especial. El robo del cuadro se había producido el sábado por la noche, cuando el museo estaba cerrado. Los ladrones habían conseguido desactivar la alarma y penetrar en el interior sin llamar la atención de los guardias de seguridad. Nadie había notado la desaparición del cuadro hasta el lunes a primera hora. Fue entonces cuando llamaron al inspector Tapia.

El inspector acudió al museo ese mismo lunes y estuvo examinando el lugar del delito sin encontrar ninguna pista. La sorpresa llegó al revisar los videos del circuito de seguridad. El cuadro se exhibía en una de las salas principales, donde había varias cámaras de vigilancia. Sin embargo, y por muy increíble que parezca, la grabación no había registrado nada en absoluto. Es decir, el cuadro estaba en su sitio, con la sala completamente vacía, ¡y de repente desaparecía como por arte de magia! El inspector estaba tan extrañado que vio el video varias veces.

Entonces se acordó de una noticia que había leído en el periódico hacía ya varios meses. Unos físicos del Imperial College de Londres afirmaban haber encontrado una forma teórica de crear agujeros en el tiempo. La idea era similar a la que hacía posible las llamadas capas de invisibilidad, pero en vez de ocultar objetos en el espacio, escondería eventos en el tiempo. E igual que un observador no sería capaz de ver un objeto cubierto por una capa de invisibilidad espacial, tampoco podría ver un suceso que ocurriera en ese agujero temporal, aunque le pasara frente a los ojos.

¿Sería aquello lo que habían utilizado los ladrones para robar el cuadro?

Esquivar la luz

El inspector, desde luego, no era experto en esos temas, así que lo primero que hizo fue intentar comprender cómo funcionaba una capa de invisibilidad común y corriente. Había oído hablar a su hijo pequeño de la capa de invisibilidad de Harry Potter, pero eso era pura fantasía. Él quería saber cuál era el principio físico en el que se basaban las capas de invisibilidad que intentaban crear los científicos en sus laboratorios.

Su hija mayor era una lectora habitual de ¿Cómo ves? y el inspector recordaba haber visto una portada dedicada a ese tema. Cuando regresó a su casa, se puso a buscar entre los ejemplares atrasados hasta que la encontró: era el número 124. Se leyó de una sentada el artículo "Invisibilidad a la vista" y ahí descubrió la existencia de los llamados metamateriales, materiales con unas propiedades extraordinarias que no se pueden encontrar de forma espontánea en la naturaleza.

Los metamateriales son estructuras artificiales que se crean en el laboratorio a partir de elementos naturales tales como metales (cobre, plata…) o semiconductores (silicio, carbono…). Los científicos manipulan estos ingredientes de manera minuciosa a la escala nanométrica, cientos de veces más pequeña que el grosor de un pelo. Construyendo una estructura nanométrica adecuada se puede lograr que la luz se comporte de maneras anómalas cuando se refleja en el metamaterial o lo atraviesa. Por ejemplo, los científicos podrían modificar el llamado índice de refracción, la medida en que un rayo se desvía al penetrar en el material, de tal manera que la luz lo rodee en vez de atravesarlo o reflejarse en él. La idea es similar a lo que hace el agua de un río cuando se encuentra una roca: la rodea y luego se vuelve a juntar, sin que quede ninguna huella de la presencia del obstáculo.

El inspector se imaginó que envolvía un objeto en uno de esos metamateriales. Como el metamaterial impediría que la luz lo iluminara directamente, entonces Tapia no podría ver ni siquiera su más mínimo reflejo ni sombra. Más aún, al rodear la luz el objeto y seguir su camino, Tapia podría ver las cosas que se encuentran detrás como si no se interpusiera nada. Si no se puede ver un objeto y sí lo que tiene a su espalda, entonces es que el objeto se ha vuelto invisible. Para todos los efectos, ese metamaterial funcionaría como una auténtica capa de invisibilidad.

El pollo en la autopista

El inspector asintió con la cabeza. Aunque desconocía los detalles, el concepto de una capa de invisibilidad espacial le había quedado claro. Pero, ¿y eso de los agujeros temporales? ¿Funcionaban de la misma manera? En el artículo de la revista no decían nada al respecto y ya era muy tarde para llamar a nadie, así que decidió investigar por su cuenta. Buscando en Internet se encontró con la página web de Paul Kinsler, físico del Imperial College londinense, y uno de los cerebros de la capa de invisibilidad temporal. Además de artículos técnicos, que el inspector simplemente leyó por encima, Kinsler compartía diversos enlaces en los que se explicaba, de una manera bastante sencilla y clara, el concepto de invisibilidad temporal.

Especialmente ilustrativo le resultó al inspector el siguiente ejemplo del propio Kinsler. Un pollo se encuentra al borde de una autopista por donde circulan los coches a una cierta velocidad constante. En algún lugar, más adelante en la autopista, se encuentra lo que Kinsler llama el observatorio de tráfico, encargado de vigilar la circulación de los coches. El pollo quiere llegar al otro lado de la autopista sin perturbar el tráfico y de forma que su acción pase inadvertida para el observatorio. Si cruza sin más, los coches se verían obligados a pegar un brusco frenazo o a cambiar de dirección para esquivarlo, lo que alteraría la circulación normal y, con toda seguridad, provocaría un accidente. La maniobra, además de temeraria, sería fácilmente reconocible por el observatorio. ¿Qué puede hacer el pollo?

La idea de Kinsler era la siguiente. Justo cuando el pollo decide cruzar, los coches que ya lo han superado aceleran, y los que todavía no han llegado hasta él frenan (es decir, desaceleran), de tal manera que se abre un hueco en el tráfico. Entonces el pollo aprovecha para atravesar rápidamente la autopista sin ser atropellado. Una vez que el pollo ha alcanzado su objetivo, los coches de delante frenan, mientras que los de atrás aceleran. Así se reestablece la circulación y todo vuelve a la normalidad. El pollo no ha interactuado en ningún momento con los coches, ya que éstos siguen manteniendo la misma trayectoria inicial. Es verdad que algunos han tenido que acelerar y otros han frenado, pero luego lo han compensado frenando y acelerando, respectivamente, de tal manera que la velocidad media de los vehículos sigue siendo la misma. En consecuencia, cuando los coches llegan a la altura del observatorio de tráfico, no existe ninguna evidencia de que el pollo ha cruzado la autopista.

Una brecha en el tiempo

Aunque parezca extraño, así es como funcionaría una capa de invisibilidad temporal. Sólo habría que sustituir los coches por fotones —las partículas de la luz—, el observatorio de tráfico por nuestros ojos y el pollo que cruza la autopista por el suceso que se quiere ocultar. En otras palabras, el observatorio de tráfico de Kinsler recoge y analiza los datos del flujo de coches de la misma forma que los ojos procesan la información de los fotones que impactan en la retina.

El inspector empezó a concebir la forma de actuar de los ladrones. Las cámaras de seguridad graban todo lo que ocurre en la sala gracias a que la luz de las lámparas rebota en los objetos y alcanza la lente de la cámara. Si los ladrones fueran capaces de manipular la velocidad de la luz, frenándola antes de un momento dado y, justo después, volviéndola a acelerar, se crearía un breve periodo de "oscuridad" en el flujo de fotones, igual que ocurría en el tráfico al acelerar y frenar los coches.

Tapia se imaginó que, aprovechando este momento de oscuridad, los ladrones entraban en escena y robaban el cuadro, dejando todo lo demás tal y como estaba. Justo después de marcharse, el proceso de acelerar y frenar la luz se invertiría, de manera que, cuando la luz alcanzara las cámaras de vigilancia, todo tendría el mismo aspecto que antes. Una persona que viera las grabaciones de las cámaras de vigilancia durante ese lapso comprobaría que no hay ni rastro del robo del cuadro.

Así, modificando la velocidad de la luz en una región del espacio durante cierto tiempo se podría crear, en teoría, una brecha en el tiempo que permitiría ocultar sucesos. Existen, sin embargo, dos importantes obstáculos a la hora de pasar a la práctica. El primero es que la luz viaja muy rápido, casi a 300 000 kilómetros por segundo en el vacío, por lo que habría que frenar y acelerar muchísimo los fotones para conseguir un hueco temporal apreciable. Por si fuera poco, los fotones no se pueden acelerar por encima de la velocidad de la luz en el vacío: lo prohíbe la teoría de la relatividad de Einstein. Así que esta artimaña sólo funcionaría, si acaso, en un medio en el que la luz se mueva más despacio que en el vacío.

El experimento de Cornell

El inspector empezaba a dudar de la viabilidad de la capa de invisibilidad temporal hasta que se tropezó con una noticia que le devolvió las esperanzas. A mediados de 2011, un equipo de físicos de la Universidad Cornell, en Estados Unidos, había conseguido crear un agujero en el tiempo mediante un ingenioso dispositivo óptico. La clave del dispositivo se basa en que la luz de distintos colores se mueve a velocidades diferentes cuando atraviesa un medio que no sea el vacío. Eso es lo que ocurre, por ejemplo, en el interior de una fibra óptica —una delgada hebra de vidrio de silicio o materiales plásticos muy usada en telecomunicaciones.

La luz visible, aquella que el ojo humano puede captar, es en realidad un conjunto de ondas electromagnéticas de distintas longitudes de onda, comprendidas entre los 400 y los 750 nanómetros. Estas longitudes de onda son percibidas por el ojo humano como colores diferentes, que van del violeta al rojo. El azul, por ejemplo, tiene una longitud de onda de 450 nanómetros, mientras que la del rojo es de 700 nanómetros.

En su experimento, Moti Fridman y sus colaboradores utilizaron una lente especial conocida como lente temporal, que descompone los rayos de luz en distintas longitudes de onda, pero, a diferencia de las lentes tradicionales, no modifica la dirección del haz incidente. Cuando hicieron pasar un láser de un único color —verde— por la lente temporal, el haz se dividió en una gama de colores, primero con tonos azulados, que después se fueron convirtiendo progresivamente en rojo. A continuación, los investigadores guiaron el rayo resultante a través de una fibra óptica, medio en el que la velocidad de la luz depende de la longitud de onda (es decir, del color): la luz azul viaja más rápido que la roja, por lo que se abrió un hueco en el haz. Todo lo que ocurriera en este hueco sería indetectable, porque no habría luz que interactuara con el suceso para llevar después la información a un ojo o a un detector.

El dispositivo se encargaba luego de restaurar las características originales del láser. Primero se le hacía pasar por otra fibra óptica que funcionaba a la inversa que la anterior: la luz roja viajaba más rápido que la azul, cerrándose el hueco que se había abierto. Por último, el haz atravesaba una segunda lente temporal que revertía el efecto de la primera. Cuando el láser emergía del dispositivo, el detector situado a la salida era incapaz de apreciar ninguna diferencia entre su color verde y el del láser incidente.

Otras capas de invisibilidad

Aunque al principio las investigaciones se centraron únicamente en la luz, desde hace varios años los científicos estudian dispositivos de invisibilidad para otros tipos de ondas. Unas de las primeras fueron las ondas sonoras, que tendría evidentes aplicaciones militares: la presencia de los submarinos en el mar se detecta por sónar. El sónar (o sonar) es un aparato que emite ondas sonoras en el agua. Al toparse con un cuerpo, estas ondas se reflejan y vuelven al punto de partida, lo que permite saber la ubicación y la velocidad del objeto. Una capa de invisibilidad sonora lograría que dichas ondas rodearan el objeto en vez de rebotar contra él, de manera que el sónar fuera incapaz de detectarlo. Aparte del ámbito militar, también podría usarse en lugares donde se quiere conservar el sonido y evitar que se degrade; por ejemplo, en teatros y auditorios.

A principios de este año, un equipo de la Escuela Universitaria de Matemáticas de Manchester (Reino Unido) anunció que había encontrado una forma teórica de camuflar edificios, haciendo que las ondas elásticas de los terremotos no los vieran y simplemente los rodearan. Esta capa de invisibilidad, hecha a base de goma a presión, sería muy interesante para proteger de sismos las plantas nucleares, centrales eléctricas y edificios oficiales.

Otro tipo de capa de invisibilidad podría evitar que los materiales se calienten demasiado rápido. El calor no se transmite en forma de onda, sino que se difunde por el espacio. Sin embargo, unos investigadores de la Universidad de Marsella han encontrado una forma de conseguir un efecto análogo que podría proteger, por ejemplo, a vehículos espaciales en su reingreso a la atmósfera. Además, esta misma técnica también podría usarse para concentrar el calor, con interesantes aplicaciones en la tecnología solar.

La última novedad en capas de invisibilidad llegó hace pocos meses. Un equipo de científicos de España y Eslovaquia diseñó un cilindro que impide que el campo magnético penetre en su interior. Esto podría servir para aislar marcapasos e implantes auditivos de campos magnéticos cuando la persona debe someterse a un examen por resonancia magnética nuclear.

Todas estas cosas eran impensables hace apenas una década.

La idea de la lente temporal del equipo de la Universidad Cornell había surgido a mediados de la década de 2000 como parte de un dispositivo que aumentaba la velocidad de transmisión de datos en una fibra óptica, algo que normalmente consume mucha energía y requiere una óptica compleja. Este nuevo sistema era muy eficiente energéticamente, estaba integrado en un chip de silicio compacto y podría utilizarse para enviar enormes cantidades de datos a grandes velocidades a través de la red.

La investigación dio un giro cuando Alexander Gaeta, uno de los miembros del grupo, leyó por casualidad la propuesta de Kinsler y compañía. Gaeta comprendió enseguida las posibilidades de utilizar la lente temporal para crear un agujero en el tiempo. Se pusieron manos a la obra y apenas un año después, en abril de 2011, el equipo del Imperial College conseguía ocultar un pulso de luz durante 15 picosegundos. El artículo donde se describía el experimento fue enviado a la prestigiosa revista Nature. Sus editores, sin embargo, consideraron que el agujero temporal era demasiado pequeño y animaron a los investigadores a ampliarlo de manera que pudiera ser detectado por los sensores de luz más precisos.

Menos de un mes después, el equipo había modificado el experimento y ya estaba preparado para una nueva prueba. En esta ocasión, consiguieron ampliar el hueco hasta 50 picosegundos. El artículo sobre el primer experimento que crea un agujero temporal fue finalmente aceptado por Nature, donde se publicó el 5 de enero de 2012.

 

Más información

  • www.abc.es/20120522/ciencia/abci-crean-nueva-capainvisibilidad-201205221202.html
  • www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2012/03/120328_ tecnologia_invisibilidad_calor_ aa.shtml

De vuelta a la realidad

Para poner a prueba su dispositivo, los científicos lanzaron un pulso de luz de manera que interactuara con el rayo láser a mitad de camino de un enorme entramado de fibra óptica de un kilómetro de longitud. En condiciones normales, sin las lentes temporales, el pulso modificaría el color del láser. Al activarlas, sin embargo, los sensores fueron incapaces de detectar cambio alguno en el color del láser a la salida del dispositivo. El agujero temporal había funcionado a la perfección.

Según su estudio, los investigadores de la Universidad Cornell lograron abrir una brecha en el tiempo de 50 picosegundos; es decir, 500 billonésimas de segundo. Se trata de un agujero temporal extremadamente estrecho, aunque los investigadores creen que, construyendo lentes temporales más potentes y utilizando un cable más largo se podría abrir un hueco de hasta un microsegundo. Para tiempos mayores, sin embargo, las imperfecciones de la técnica dejarían rastros de la manipulación.

El inspector se preguntó qué aplicaciones podría tener esta tecnología. Las telecomunicaciones actuales se basan en una enorme cantidad de datos que viajan a gran velocidad. Según los expertos, se podría crear un agujero temporal en el flujo de datos y usarlo para establecer prioridades al tratarlos. Por ejemplo, un usuario podría visualizar un video en streaming y, al mismo tiempo, abrir una brecha temporal para descargar un archivo importante —una actualización del sistema operativo— sin interrumpirlo. También podría usarse para espiar comunicaciones sin ser detectado. La policía podría utilizar una capa temporal para frenar los datos de un mensaje entre terroristas, grabar la información y luego volverlos a acelerar, de manera que ni emisor ni receptor se den cuenta de lo que ha pasado.

Todo eso estaba muy bien, pensó el inspector. Pero, ¿se podría aplicar en sucesos que duran más de un microsegundo, como el que estaba investigando? Los científicos descartaban rotundamente esta posibilidad. Con la tecnología actual, construir un hueco de apenas unos minutos requeriría un dispositivo del tamaño del Sistema Solar. Resignado, el inspector asumió que era imposible que los ladrones hubieran utilizado un agujero en el tiempo para robar el cuadro.

En ese momento, una llamada telefónica sacó a Tapia de sus pensamientos y lo devolvió a la realidad. Era su ayudante, quien le informaba que acababan de detener a uno de los empleados de la empresa de seguridad. Cuando el experto en información de la policía revisó las grabaciones de las cámaras del museo, detectó que éstas habían sido manipuladas. Sencillamente habían eliminado los trozos comprometidos de la grabación. Esta acción podía pasar inadvertida a la mayoría, pero no a un experto. El sospechoso había terminado confesando su participación en los hechos y la organización criminal estaba a punto de caer.

El inspector colgó el teléfono, se asomó a la ventana y suspiró al ver que ya estaba amaneciendo. Después de todo, el caso había sido de lo más normal. Ni agujeros en el tiempo, ni dispositivos ópticos que aceleran y frenan la luz ni nada parecido. Eso sí, había aprendido unas cuantas nociones de física muy interesantes. Sólo por eso ya había valido la pena.

Daniel Martín Reina, frecuente colaborador de ¿Cómo ves?, egresó de la carrera Ciencias Físicas de la Universidad de Sevilla, España.

 
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