Probando la relatividad, agujeros negros y atractores extraños en el laboratorio

A través de la analogía mecánico-óptica, los metamateriales y otros materiales ópticos avanzados pueden usarse para estudiar fenómenos celestes tales como los agujeros negros, atractores extraños y lentes gravitatorias. Aquí un metamaterial de aire y GaInAsP imita una esfera de fotones, uno de los fenómenos clave de los agujeros negros en su interacción con la luz.

Incluso Albert Einstein estaría impresionado. Su Teoría de la Relatividad General, la cual describe cómo la gravedad de un objeto masivo, tal como una estrella, puede curvar el espacio y el tiempo, ha sido usada con éxito para predecir tales observaciones astronómicas como la curvatura de la luz estelar por parte del Sol, pequeños desplazamientos en la órbita de Mercurio y el fenómeno conocido como lente gravitatoria. Hora, no obstante, puede que pronto sea posible estudiar los efectos de la relatividad general en experimentos de sobremesa en un laboratorio.

Xiang Zhang, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos (Berkeley Lab) y profesor de la Universidad de California en Berkeley, lideró un estudio en el que se determinó que la interacción de luz y materia con el espacio-tiempo, como predice la relatividad, puede estudiarse usando una nueva rama de materiales ópticos artificiales que tienen la extraordinaria característica de curvar la luz y otras formas de radiación electromagnética.

“Proponemos un vínculo entre el campo recientemente surgido de los materiales ópticos artificiales con el de la mecánica celeste, abriendo de esta forma una nueva posibilidad de investigar fenómenos astronómicos en una configuración de sobremesa en un laboratorio”, dice Zhang. “Hemos introducido una nueva clase de medios ópticos específicamente diseñados que pueden imitar los movimientos periódicos, cuasi-periódicos y caóticos que observamos en los objetos celestes que han estado sujetos a complejos campos gravitatorios”.

Un artículo que describe este trabajo está disponible on-line en la revista Nature Physics. El artículo se titula: “Mimicking Celestial Mechanics in Metamaterials (Imitando la Mecánica Celeste en Metamateriales)”. Los coautores junto con Zhang fueron sus estudiantes de posdoctorado Dentcho Genov y Shuang Zhang.

Zhang, investigador principal de la División de Ciencias de los Materiales en el Laboratorio de Berkeley y director del Centro de Ciencia a Nanoescala e Ingeniería de la UC en Berkeley, ha sido uno de los pioneros en la creación de materiales ópticos artificiales. El año pasado, tanto él como su grupo de investigación llegaron a las portadas cuando desarrollaron unos metamateriales únicos – compuestos de metales y dieléctricos – que eran capaces de curvar la luz hacia atrás, una propiedad conocida como refracción negativa que no tiene precedentes en la naturaleza. Más recientemente, él y su grupo desarrollaron una “alfombra de encubrimiento” a partir de silicio nanoestructurado que ocultaba la presencia de objetos colocados bajo ella de la detección óptica. Estos esfuerzos no sólo sugirieron que los materiales verdaderamente invisibles estaban al alcance, dijo Zhang, sino que también representó un gran paso adelante en la transformación óptica que “abriría la puerta a la manipulación de la luz a nuestra voluntad”.

Ahora, él y su grupo de investigación han demostrado que una nueva clase de metamateriales conocidos como “trampas de fotones de índice continuo” o CIPTs pueden usarse como cavidades ópticas “perfectas” libres de radiación y de banda ancha. Como tales, los CIPTs pueden controlar, frenar y atrapar la luz de una manera similar fenómenos tales como los agujeros negros, atractores extraños y lentes gravitatorias. Esta equivalencia entre el movimiento de las estrellas en un espacio-tiempo curvado y la propagación de la luz en metamateriales ópticos diseñados por ingeniería en un laboratorio es conocida como la “analogía óptico-mecánica”.

Zhang dice que tales metamateriales especialmente diseñados pueden ser de valor para estudiar el movimiento de cuerpos celestes masivos en potenciales gravitatorios bajo un entorno controlado de laboratorio. Las observaciones de tales fenómenos celestes por parte de los astrónomos a veces necesitan un siglo de espera.

“Si curvamos nuestro espacio metamaterial óptico en nuevas coordenadas, la luz que viaja en línea recta en el espacio real se torcerá en el espacio curvado de nuestra ótica transformacional”, dice Zhang. “Esto es muy similar a lo que sucede con la luz estelar cuando se mueve a través de un potencial gravitatorio y experimenta la curvatura del espacio-tiempo. Esta analogía entre el electromagnetismo clásico y la relatividad general, puede permitirnos usar metamateriales ópticos para estudiar fenómenos de la relatividad tales como lentes gravitatorias”.

En sus estudios de demostración, el equipo mostró un compuesto de aire y dieléctrico de Galio, Indio, Arsénico y Fósforo (GaInAsP). Este material proporcionó operaciones en el rango del espectro infrarrojo y logró un alto índice refractivo con baja absorción.

En su artículo, Zhang y sus colaboradores citan como un proyecto particularmente intrigante para la aplicación de materiales ópticos la analogía mecánico-óptica del estudio del fenómeno conocido como caos. La aparición del caos en los sistemas dinámicos es uno de los problemas más fascinantes de la ciencia y se observa en áreas tan diversas como el movimiento molecular, la dinámica de poblaciones y la óptica. En particular, un planeta alrededor de una estrella puede pasar por un movimiento caótico si una perturbación, tal como otro gran planeta, está presente. No obstante, debido a las grandes distancias espaciales entre los cuerpos celestes, y los largos periodos implicados en el estudio de la dinámica, la observación directa del movimiento planetario caótico ha sido un reto. El uso de la analogía mecánico-óptica puede permitir que tales estudios se completen a demanda en una configuración de sobremesa en un laboratorio.

“Al contrario que los astrónomos, no tendremos que esperar 100 años para lograr resultados experimentales”, dice Zhang.


Autor: Lynn Yarris
Fecha Original: 20 de julio de 2009
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Comments (8)

  1. turok

    Lees esto y te quedas boquiabierto.Podrias experimentar en tu casa(siempre que en tu casa haya una laboratorio claro) esto va más alla de la “sci-fi”(incluso de la buena).

  2. turok

    me dejé lo más importante, podrias experimentar en tu casa…..con agujeros negros, lentes gravitacionales y demás objetos extraños relacionados con la gravedad de Einstein.Desde luego si el viejo levantara la cabeza, se volvería a morir de la impresión.

    • Iván

      O se pedia un laboratorio completo para el garaje jejeje.

      Imagina lo que podria haber llegado a desarrollar con los medios actuales.

      • Turok

        Cierto.Lo más probable es qu se pidiera un laboratorio completo para el garage.De lo segundo ya no estoy tan seguro.Era reacio a la mecánica cuántica.Pero núnca se sabe quizás a estas alturas ya habría cambaido el “chip”.

  3. Tritio

    Es un gran paso para poder estudiar estos fenómenos de una manera más sencilla.

  4. [...] características del espacio-tiempo. Ya hemos visto antes una variedad de estas ideas, tales como construir un agujero negro e incluso crear un [...]

  5. [...] características del espacio-tiempo. Ya hemos visto antes una variedad de estas ideas, tales como construir un agujero negro e incluso crear un [...]

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