Un fotón es una partícula individual de luz y, en circunstancias normales, no puede dividirse. Aunque describirlo simplemente como una partícula puede resultar engañoso, ya que un fotón no ocupa una posición perfectamente definida en el espacio. En cierto sentido, se trata de un objeto extendido.
Entonces, ¿Qué ocurriría si un fotón estuviera a mitad del proceso de reflejarse en un espejo perfecto y justo en ese instante, retiráramos el espejo?
La respuesta propuesta por tres físicos noruegos, resulta ser mucho más compleja de lo que cabría esperar.
¿Es posible dividir un fotón?
Antes de abordar el experimento del espejo, conviene detenernos un momento en una cuestión fundamental: ¿pueden los fotones dividirse y combinarse?
Si este fenómeno fuera algo habitual en nuestra vida cotidiana, bastaría con hacer pasar un único color de luz a través de un cristal o reflejarlo sobre una superficie para que los fotones pudieran dividirse o combinarse libremente.
El resultado sería espectacular: una fuente de luz de un solo color podría generar una increíble variedad de colores.
Nuestro universo sería, literalmente, el viaje psicodélico más extraordinario que podamos imaginar.
Pero, evidentemente, eso no ocurre en condiciones normales.
Lo interesante es que, bajo las circunstancias adecuadas, los fotones sí pueden dividirse y combinarse. Para ello, esencialmente, el medio por el que viaja la luz debe cambiar como consecuencia de la propia interacción con ella.
Este tipo de procesos puede producir fenómenos extraordinarios, como la generación de un espectro completo de colores a partir de una única fuente de luz.
Desde el punto de vista técnico, las interacciones de la luz que observamos habitualmente son procesos lineales. En cambio, la división y combinación de fotones pertenece al ámbito de los procesos no lineales.
Para superar esta no linealidad normalmente necesitamos un medio extremadamente sensible o una fuente de luz de intensidad muy elevada, como un láser.
La retirada repentina de un espejo mientras un fotón está reflejándose en él no parece, a primera vista, un proceso no lineal en el sentido convencional.
Sin embargo, si pensamos detenidamente en lo que está ocurriendo, resulta evidente que estamos ante un evento no lineal.
El problema es que nuestra intuición se complica cuando intentamos imaginar qué significa exactamente un único fotón interactuando con un espejo.
Y aquí es donde comienza la verdadera historia.
Un único fotón atraviesa el espejo
¿O no? Imaginemos primero un caso más sencillo: un espejo parcialmente reflectante.
Cuando un único fotón incide sobre este tipo de espejo, pueden ocurrir dos cosas: el fotón puede atravesarlo o puede reflejarse.
Desde la perspectiva de la mecánica cuántica, el fotón entra en un estado de superposición, en el que ambas posibilidades existen simultáneamente: la de haber sido reflejado y la de haber atravesado el espejo.
La probabilidad de cada resultado dependerá de cuán reflectante sea el espejo.
Ahora imaginemos que colocamos un detector en el camino del fotón reflejado y otro en el camino del fotón transmitido.
En el momento en que uno de los detectores registra el fotón, la superposición cuántica colapsa.
El resultado es entonces inequívoco: el fotón ha tomado uno de los dos caminos y la otra posibilidad desaparece.
En ningún caso encontraremos que ambos detectores se activan simultáneamente.
Nunca registramos medio fotón en un camino y medio fotón en el otro.
El fotón aparece siempre como una unidad indivisible.
¿Qué ocurriría con un espejo perfecto que desaparece a mitad del proceso?
A primera vista, podríamos pensar que el mismo razonamiento se aplica a un espejo perfectamente reflectante que retiramos mientras el fotón está en pleno proceso de reflexión.
Según esta interpretación intuitiva, el fotón entraría en una superposición entre dos posibilidades:
- Ser reflejado por el espejo.
- Continuar su trayectoria como si el espejo no estuviera allí.
La probabilidad de cada resultado dependería del momento exacto en el que retiramos el espejo en relación con el “tamaño” efectivo del fotón.
De nuevo, podríamos imaginar que, cuando intentáramos medir qué camino ha seguido el fotón, la superposición colapsaría y únicamente uno de los detectores registraría el resultado.
Parece lógico.
Pero no es lo que ocurre.
Cuando nos detenemos a analizar el problema con más cuidado, resulta evidente que esta explicación intuitiva es incorrecta.
Y para comprender el motivo necesitamos introducir algunos conceptos teóricos adicionales.
Porque el verdadero misterio comienza precisamente aquí: ¿qué sucede cuando alteramos las condiciones de un sistema cuántico mientras el fotón todavía está interactuando con ellas?
La respuesta nos lleva a un territorio donde la intuición clásica deja de ser una guía fiable y donde el comportamiento de la luz puede resultar mucho más extraño de lo que nuestra experiencia cotidiana nos permite imaginar.
¿Podemos hacerlo de verdad?
En teoría, el fenómeno parece posible. Pero demostrarlo experimentalmente será bastante más complicado.
Para llevar a cabo este experimento, los investigadores necesitarán una fuente capaz de generar fotones individuales bajo demanda y, además, con un ancho de banda espectral extremadamente estrecho.
La razón es importante: cuanto más estrecho sea el espectro del fotón, más se extiende temporalmente su presencia. Esto permitiría observar con mayor claridad cualquier fotón adicional que pudiera generarse como consecuencia de “cortar” el fotón original.
Pero todavía queda otro desafío fundamental: retirar el espejo exactamente en el momento adecuado.
Y, evidentemente, esto no puede hacerse con un espejo de baño convencional.
Los autores calculan que la transición entre un estado reflectante y uno transmisivo tendría que producirse en aproximadamente 10 femtosegundos.
Para poner esta cifra en perspectiva, un femtosegundo equivale a 10⁻¹⁵ segundos.
Es un intervalo de tiempo tan extraordinariamente breve que resulta imposible mover físicamente un espejo convencional con la suficiente rapidez.
El espejo tendría que desaparecer de otra manera
La solución podría estar en utilizar materiales capaces de modificar sus propiedades ópticas prácticamente de forma instantánea.
Algunos materiales, como los semiconductores, pueden pasar de comportarse como superficies reflectantes a permitir la transmisión de la luz en apenas 30 a 100 femtosegundos, utilizando pulsos láser ultrarrápidos como mecanismo de activación.
En principio, esto podría permitir recrear el experimento.
Pero aparece inmediatamente un nuevo problema.
El propio pulso láser utilizado para “retirar” el espejo puede interferir con el experimento.
El pulso necesario para modificar las propiedades del material será muchísimo más intenso que los fotones que estamos intentando detectar. Por tanto, los investigadores tendrán que desarrollar técnicas extremadamente precisas para filtrar la enorme señal del láser y poder distinguir los posibles fotones generados durante el proceso.
Y eso, como es lógico, no será nada sencillo.
Ya existen algunas pistas de que el fenómeno es real
A pesar de todas estas dificultades, ya disponemos de indicios experimentales que apuntan en la dirección correcta.
Los espejos que hemos descrito anteriormente se utilizan en determinados experimentos para acortar pulsos de luz ultracortos.
Cuando estos pulsos son reflejados y posteriormente acortados, su espectro incorpora nuevas frecuencias.
Y si aparecen nuevas frecuencias, desde el punto de vista físico deben haberse generado nuevos fotones durante el proceso.
Lo que todavía no hemos conseguido es observar directamente este fenómeno cuando partimos de un único fotón.
Ese es el verdadero experimento pendiente, pero quizá no tengamos que esperar demasiado.
Si todo sale según lo previsto, podríamos obtener una demostración experimental directa en aproximadamente un año.
Y personalmente, apostaría a que veremos los resultados antes de lo que muchos imaginan.
