La luz se curva por sí misma

Artículo publicado por Jon Cartwright el 19 de abril de 2012 en Science Now

Cualquier estudiante de física sabe que la luz viaja en línea recta. Pero ahora, los investigadores han demostrado que la luz también puede viajar formando una curva, sin necesidad de ninguna influencia externa. El efecto es en realidad una ilusión óptica, aunque los investigadores dicen que podría tener usos prácticos, tales como mover objetos a distancia usando la luz.

Es un fenómeno conocido que la luz se curva. Cuando un rayo de luz pasa del aire al agua, por ejemplo, da un brusco giro: por eso es por lo que un palo introducido en un estanque parece inclinarse hacia la superficie. En el espacio, los rayos de luz que pasan cerca de objetos muy masivos, tales como estrellas, se ven como si viajasen a lo largo de curvas. En cada ejemplo, la curvatura de la luz tiene una causa externa: para el agua es el cambio en una propiedad óptica conocida como índice de refracción, y para las estrellas, es la naturaleza curvada de la gravedad.

Luz curvada © F. Courvoisier y J. M. Dudley


Que la luz se curve por sí misma, sin embargo, es algo inaudito – o casi. A finales de la década de 1970, los físicos Michael Berry de la Universidad de Bristol en el Reino Unido, y Nandor Balazs de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, descubrieron que una forma de onda conocida como Airy, una onda que describe cómo se mueven las partículas cuánticas, puede a veces curvarse una pequeña cantidad. El trabajo fue ignorado en gran parte hasta 2007, cuando Demetri Christodoulides y otros físicos de la Universidad de Florida Central en Orlando generaron versiones ópticas de las ondas Airy manipulando luz láser, y encontraron que el haz resultante se curvaba ligeramente cuando cruzaba un detector.

¿Cómo funciona esta autocurvatura? La luz es una maraña de ondas cuyos picos y valles pueden interferir entre sí. Por ejemplo, un pico que pase a través de un valle cancela a ambos para crear oscuridad; un pico que pasa por otro pico “interfiere de manera constructiva” para crear un punto brillante. Ahora, imagina la luz emitida desde una banda ancha – por ejemplo un tubo flourescente o, mejor aún, un láser cuya emisión ha sido expandida. Controlando cuidadosamente la posición inicial de los picos de las ondas – la fase de las mismas – en cada paso a lo largo de la banda es posible hacer que la luz que viaja hacia fuera interfiera constructivamente en sólo los puntos de una curva, y se cancele en el resto. La función Airy, que contiene oscilaciones rápidas pero que se apagan pronto, demostró ser una forma fácil de definir esas fases iniciales – excepto que la luz resultante estaría curvada sólo unos 8º.

Ahora, los físicos Mordechai Segev y sus colegas del Instituto de Tecnología Technion en Haifa, Israel, dicen tener la receta para hacer que la luz se curve por sí misma a lo largo de cualquier ángulo, incluso formando un círculo completo. El problema con la función Airy, dice Segev, es que la forma de sus oscilaciones especifica las fases correctas sólo en pequeños ángulos; para ángulos mucho mayores de 8°, la forma se convierte en una aproximación basta. Por lo que su grupo se centró en las ecuaciones de Maxwell, el cuarteto de fórmulas matemáticas de 150 años de antigüedad que describen la propagación de ondas electromagnéticas como la luz. Tras un laborioso trabajo matemático y de intuición, los investigadores encontraron soluciones a las ecuaciones de Maxwell que describen con precisión las fases iniciales requeridas para una auténtica autocurvatura de la luz, como describen esta semana en la revista Physical Review Letters.

“La función Airy es una solución para un caso aproximado”, dice Segev. “Si quieres [curvar] a lo largo de ángulos mayores, [la solución] debe tener la forma apropiada. Se pensaba que no había una forma adecuada, que la solución siempre sería una aproximación – pero hemos demostrado que esto era incorrecto”.

El trabajo del grupo de Segev podría haberse mantenido en el marco teórico, pero por coincidencia, un grupo liderado por John Dudley en el Universidad Franche-Comté en Besançon, Francia, ha estado realizando sus propios experimentos de autocurvatura de la luz. Modificando la función Airy ya existente, el grupo de Dudley logró encontrar valores de fase inicial que encajan con la solución del grupo israelí, incluso aunque no eran conscientes de ella. Usando un dispositivo conocido como modulador espacial de luz para pre-ajustar la fase de un haz expandido de luz láser, el grupo francés encontró que la luz resultante se autocurvaba hasta 60º, como informarán a finales de este mes en Optics Letters.

La autocurvatura de la luz podría dar un nuevo giro a las pinzas ópticas. Estos dispositivos, que se desarrollaron en la década de 1980, usan la fuerza creada por una intensa luz láser para mantener microscópicos objetos en mitad del aire. Segev cree que reemplazando los haces láser por luz autocurvada, los investigadores podrían forzar a los objetos atrapados a viajar a lo largo de complejos caminos sin necesidad de tocarlos. Haciendo esto, la luz curvada podría mover selectivamente células fuera de una muestra biológica – algo de gran provecho para los bioingenieros.

El físico Pavel Polynkin de la Universidad de Arizona en Tucson sugiere otra aplicación: abrir un agujero curvado a través de un material, lo cual sería imposible con un láser normal. Pero, a pesar de tales aplicaciones, señala que la propia luz realmente no se curva, sólo parece hacerlo por la forma en que se alinean los puntos brillantes de interferencia. De hecho, dice, la mayor parte de la energía de la luz no va hacia la curva brillante, sino hacia las áreas oscuras que han sido canceladas. “No estoy disputando la relevancia científica del artículo”, añade. “Informa de una importante contribución… [Pero] no se ha violado ninguna ley fundamental de la física por el momento – y eso es algo bueno, en mi opinión”.


Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 19 de abril de 2012
Enlace Original

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Comments (18)

  1. aalku

    Entiendo gran parte del artículo pero me surgen más dudas. Si lanzo dos objetos idénticos a idéntica velocidad uno contra otro en una misma recta, dependiendo del material podrían rebotar o detenerse juntos cancelando el movimiento. En ese último caso la energía se habría transformado en calor o se habría invertido en alterar (dañar) la estructura de los objetos. La luz cancelada es emitida por lo tanto ¿qué sucede con esa energía? Y otra cosa, al margen de la curvatura, ¿Se podría iluminar el interior de una caja cerrada desde fuera haciendo que la luz a su paso por la superficie estuviese cancelada y no en el interior, o la luz aun cancelada impactaría en el material? ¡Gracias!

    • Dr. Rayleigh

      Entiendo que esa energía obviamente se dispersa, pues seguramente en fotones de la misma frecuencia de que está hecha. Date cuenta que un láser “no se ve”, si lo vemos es porque precisamente está impactando contra partículas materiales (polvo, moléculas, etc.), es decir, dispersándose (exactamente lo mismo que la belleza de los rayos de sol luciendo entre las nubes). La atmósfera es azul por pura dispersión Rayleigh (y tan eficientemente que la dispersa, que en los ortos y ocasos astronómicos, ya no nos llega ninguna luz azul y por eso son rojos).

      Los fotones obviamente impactan, dentro del haz o no. Lo de que la luz está curvada, está todo lo curvada que permite la interferencia constructiva de una onda, que no es lo que la gente entiende al uso de una curva. Un fallo del artículo es decir que estas “pinzas de luz” no tocarían a las células para moverlas, por ejemplo: por supuesto que las tocarían, un golpeteo continuado de fotones (si no, no se moverían). Esto puede afectar a una célula más que empujar mecánicamente su membrana con un objeto microscópico.

  2. sargentopez

    Yo creo que con esa técnica algún día se podrán proyectar objetos tridimensionales.

  3. Dr. Excuseme

    ¡¡Falta una n en el sustantivo de “brillantes de interferencia”!! Es una errata tonta, pero en este caso creo que es mejor corregirla visto el cachondeo que se puede desatar xD.

  4. [...] "CRITEO-300×250", 300, 250); 1 meneos La luz se curva por sí misma http://www.cienciakanija.com/2012/04/20/la-luz-se-curva-por-si-m…  por Astro_Pipe hace [...]

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  6. Tom Wood

    Lo mismo que digo siempre, no hemos completado el estudio del electromagnético. Y tal vez es hora de sospechar, que el electromagnético estelar que nos trae todas las informaciones, todavía nos esconde algo y de ahí tanta confusión. Para mi no se autocurva, es solo interacción Luz-Luz débil, entre las energíascampos libres y las energíasmasas, del medio de donde salio, o paso. Lo voy a revisar con deteniendo. De paso, siguen apareciendo estudios que se mueven hacia mis ideas.
    http://www.cienciakanija.com/2012/04/12/controlar-el-efecto-tunel-cuantico-con-la-luz/comment-page-1/#comment-40943

  7. [...] en Fí­sica, Tecnologí­a. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web. [...]

  8. Hola, amigos:

    Creo que es Tom en el que ha dado en la diana. No hemos llegado a conocer de manera cierta, los misterios que la luz encierra y, algunas de las fuerzas fundamentales, tales como el electromagnetismo y la Gravedad, nos guardan secretos que no hemos sabido desvelar. La luz, si no es perturbada por fenómenos u objetos extraños a ella, siempre debe ir en líonea recta, los fotones no van haciendo cabriolas en su caminar.

    Esa forma de radiacion electromagnética a la que el ojo humano es ensible y sobre la cual depende nuestra conciencia visual del universo y sus contenidos, hasta donde podemos saber, no se curva porque sí, si lo hace, es porque hay un motivo que la obligó.

    De todas las maneras, el día que sepamos la verdad sobre lo que es la luz, ese día, seguramente habremos llegado a comprender profundos misterios de la Naturaleza que ahora se nos escapan. La luz es mucho más de lo que suponemos y aunque está unida al flujo electromagnético y, de alguna manera es una parte de la materia…También debemos suponer que es mucho más de lo que hemos llegado a comprender.

    Creo que la luz es la última fase de la materia, el nivel más alto que puede alcanzar al convertirse en fotones lunimnosos que recorre el Universo a velocidad escalofriante y, tánto significado llega a tener que, está presente en las fórmulas más importante de la física.

    Algún día me gustaría saber lo que la luz es y todo su significado. En el mismo artículo nos dicen que, en realidad la luz no se curva…

    ¡Necesitamos Saber! y como nos dice Hilbert (está gravado en su tumba en Gotinga (Alemania): “Debemos saber, ¡sabremos!”

    Espéremos que así sea.

  9. Tom Wood

    ¡Wao que susto! Un día me van a matar de un infarto.

    Recuerdo varias discusiones sobre experimentos donde la propia luz, supera a la velocidad de la luz. Hasta que un día me dije, no me rompo más el cabeza buscado donde están las sutilizas, la confusión. Que se la rompa el que hace esa afirmación y que la encuentre el. De ahora en adelante para mi superar la velocidad de la luz, es superar la velocidad de la luz. Es obtener un número experimental, al menos con un decimal mayor que el valor más-menos de la velocidad de la luz. No me interesan las sutilezas; me lo tienes que traer así de masticadito, o no me intereso por eso. No pierdo mas mi tiempo en buscar la sutileza. Pura cinemática y al menos un decimal por encima del valor mas-menos de la velocidad de la luz; es lo que pido para que me conmuevan, es la única prueba de que eso esta ocurriendo.

    Esta es la lectura, la interpretación rápida que me sale:
    Bueno no hay tal autocurvatura, es un arreglo experimental, bello, novedoso pero posible dentro de la física. Como un “dibujo real”, donde se eliminan por interferencias, todas las franjas del ancho del pulso, que no estarían sobre una curva imaginaria que fuéramos capaces de trazar, la que se ve.
    Hagamos una tontería didáctica; pero no me crucifiquen si me equivoco en algo: Imaginen un rectángulo, que su área esta cubierta por luz, “sombreada” por luz. Y tracemos una parábola, desde el vértice izquierdo superior, al vértice derecho inferior. Una parábola, como la que describe una piedra que es lazada hacia el frente, bajo la gravedad. Ahora, si todos los electromagnéticos que no están sobre esa imaginaria parábola, se hacen interferir destructivamente y los que están sobre la parábola imaginaria, interfieren constructivamente, veremos como si el rayo de luz se curvara. Ya que no lo vemos completo.
    De ahí y como es más lógico ahora:
    –Que la mayor parte de la energía no este sobre la poca “área” que tendría la parábola; con respecto a las zonas de interferencias destructivas. De ahí que el haz curvado, no tenga casi potencia. Casi toda, la mayor área, es la interferida destructivamente.
    “De hecho, dice, la mayor parte de la energía de la luz no va hacia la curva brillante, sino hacia las áreas oscuras que han sido canceladas.”
    “abrir un agujero curvado a través de un material, lo cual sería imposible con un láser normal”
    “no se ha violado ninguna ley fundamental de la física por el momento”
    “físico Pavel Polynkin de la Universidad de Arizona en Tucson”
    Pues claro que no se ha descubierto nada que cambie las físicas. Es solo un experimento, de gran imaginación física, pero con las mismas bases físicas conocidas. Ese es su merito, no la autocurvatura, que aparenta, dentro del rango visible humano.
    Nada, que cada día sabemos vendernos mejor. Por eso yo he optado por contaminar menos mi cabeza y meditar mas.
    http://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_Airy
    http://books.google.com/books?id=b5H99FCGe_EC&pg=PA222&lpg=PA222&dq=funcion+de+airy/ecuaciones+diferenciales&source=bl&ots=DrED2aPMss&sig=NT-TyPtsxRh62FVULTi5jrBeKOQ&hl=es#v=onepage&q=funcion%20de%20airy%2Fecuaciones%20diferenciales&f=false

  10. Alba

    La luz se corta en el aire?
    Si una luz es proyectada y el viento se pone en contra se corta?

    • Dr. Scatter Rayleigh

      ¿Se corta? xD.

      Lo que “vemos”, siempre, es la luz reflejada. La que al chocar con algo, “rebota” (en realidad hay interacción con campos electrónicos) o se dispersa. Ves un árbol porque la luz choca y rebota contra el árbol (se refleja), además de interactuar con las moléculas de la superficie de ese árbol (por ejemplo, los cloroplastos de las hojas reflejan mayormente el color verde -esa frecuencia de la luz que nosotros percibimos como ese color- porque la clorofila así lo hace, absorbiendo el resto y reemitiendo así).

      El viento está formado de moléculas de nitrógeno y oxígeno en su mayor parte (aparte agua, argón, dióxido de carbono, etc.), junto con granos de polvo de composición muy variada que puedan ser arrastrados en un momento dado (o flotar, simplemente, porque el empuje aerodinámico es mayor que su peso), incluyendo en el polvo seres vivos, claro está, estos aerosoles pueden “colorear” la atmósfera en ocasiones. El efecto del aire en relación al tamaño promedio de las moléculas que lo componen es dispersar la luz de frecuencia azul (como el agua), es decir, a la luz de esa frecuencia (la más alta que podemos ver, que percibimos como el color azul) le cuesta “penetrar” el aire, se queda rebotando entre sus moléculas y por el cielo (y el mar) lo vemos azul. Cuando la luz del sol tiene que atravesar mucho aire (en las salidas y puestas de sol, dado que los rayos de luz son casi tangentes a la superficie terrestre), la luz azul ya se ha quedado por el camino, de ahí esas tonalidades rojas.

      En realidad es más complejo, dispersar se dispersan todas las frecuencias, está en relación con la frecuencia y el tamaño de la partícula, pero el azul se dispersa en un 23% y el rojo en menos del 5% (creo). Así que en cierto modo, si vemos la atmósfera azul es porque “ese es su color” xD.

      Vaya, que para que puedas ver algo tiene que impactar, ser absorbido y/o reflejado contra un objeto material. De modo pasivo, claro, si lo que haces de alguna manera es crear un foco emisor de luz en algún punto, también verías ese foco como lo que es. En este caso, vemos el foco porque la luz que emite alcanza el fondo de nuestras retinas, sobrecargándolas (y en el caso del Sol o un foco de intensidad pareja, si lo miramos directamente, quemando y destruyendo las células de la retina), por ejemplo en las bombillas incandescentes (que aún van quedando), todo el mundo miró alguna vez al filamento al rojo vivo que emite luz y se le “quedó” impreso un buen rato en su campo visual (seguías viendo un manchón mirases a donde mirases durante un buen rato). Esto NO debe hacerse.

      No sé si está claro xD.

  11. Ivan

    Solo un pequeño detalle: Cuando la luz se “curva” en el agua, el fenómeno es conocido como refracción. El índice de refracción es una medida del mismo, no el fenómeno per se. Por lo demas, perfecto.
    ¡Felicidades por un blog tan interesante!

    • Dr. Parade Rayleigh

      Es el cambio de medio lo que produce no una curvatura, sino un cambio de trayectoria, y la razón es la diferente velocidad de propagación en cada medio. Si la luz entra perpendicular complemente, la refracción es cero.

      Imaginemos un desfile, personas que están exactamente a las mismas posiciones relativas unas de otras, moviéndose en tren. Ahora les da por meterse en el agua, pero en ángulo, es decir, no entran perpendiculares. Al entrar en el agua, uno se mueve mucho más despacio porque naturalmente, el agua presenta mayor resistencia que el aire (tiene más masa, es más viscosa), con lo cual cada uno de los miembros del desfile pasa a moverse a menor velocidad, y altera su posición relativa respecto a los demás miembros del tren. Es decir, el de atrás se acercará a él, porque al frenarse él al entrar en el agua su inmediato seguidor momentáneamente (hasta que también entra en el agua) se mueve más deprisa, y quien va en su fila pero aún no ha entrado en el agua (porque estamos entrando en ángulo) lo “adelantará”, por las mismas razones, el efecto que produce esto -creo que es fácil de visualizar- es que todo el tren gira unos grados, manteniendo en cualquier caso la formación aunque no las distancias relativas, esos grados dependen naturalmente de las diferencias de velocidades en uno y otro medio.

      Es decir, no es el fenómeno del que habla el artículo.

  12. Ramón Cuesta

    Creo que nada de mueve en el universo en linea recta la y luz tampoco.
    Es la única forma que pueda tener el universo para evitar que desaparezca en su expansión.
    Siendo la luz curva cada haz de luz nos llegaría haciendo una figura geométrica (que no se que nombre darle porque serian como dos conos opuestos con líneas curvas)
    Nuestra sensación es ver que cada haz de luz viene en linea recta, pero en grades distancias si un objeto se interpone y tapa parte del haz de luz, veremos al objeto desplazado (incluso ver nosotros como se desplaza aunque en realidad no lo hace)
    Mientras no tape por completo el haz de luz, lo seguiremos viendo aunque no en el lugar que le corresponde.

    Seria el mismo experimento de Einstein para demostrar que la luz se curvada por la atracción gravitatoria al pasar cerca de un gran astro como el sol, pero que yo lo achaco a la curvatura de la propia luz.

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