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💡 Secretos de la LUZ [🎬 DOCUMENTAL]

Cada segundo, un metro cuadrado de la Tierra recibe un flujo de luz del Sol con la potencia de 14.100 bombillas de luz juntas. Todos los días, después de oscurecer, encendemos y apagamos diferentes fuentes de luz docenas de veces. Para nosotros, estas son acciones mecánicas en las que ni siquiera necesitamos pensar. ¿Pero qué pasaría si nos quedáramos dormidos en casa con las luces encendidas y nos despertáramos en el pasado distante? Suena increíble, ¿y qué tiene que ver la luz con ello?, te preguntarás.

En el otoño de 2022, dos grupos independientes de científicos físicos de Oxford y Viena enviaron una partícula de luz al pasado. Más tarde, publicaron los resultados de su investigación en arXiv. Después de dividir un fotón con un cristal especial, lograron lo que llamaron «reversal de tiempo cuántico». En el proceso, el fotón se movió hacia el futuro y el pasado simultáneamente.

Esta investigación puede no permitir que los humanos nos movamos en el tiempo, pero puede finalmente explicar el mecanismo de dicho viaje. Y todo puede ser posible gracias a la luz ordinaria.

Pero ni siquiera sospechas qué otros superpoderes tiene la luz.

El documental:

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Secretos de la LUZ:

Los rayos solares son la única fuente de energía y vida en la Tierra, pero la primera luz apareció mucho antes de que naciera el Sol. Nuestro universo surgió hace casi 14.000 millones de años. Inmediatamente después del Big Bang, era un plasma de tal densidad y temperatura que nada podía penetrarlo, incluida la luz. El universo tardó casi 400 millones de años en expandirse y enfriarse lo suficiente como para que la interacción de electrones y protones diera lugar a la formación de hidrógeno y apareciera la primera luz poco después.

El universo pasó por un período de rápida expansión y la longitud de onda de la primera luz aumentó, convirtiéndola en microondas. Estas microondas constituyen la radiación de fondo cósmico que llamamos radiación relicta. Es asombroso que en cualquier momento, a través de un telescopio, podamos ver la luz que nació hace miles de millones de años, al mismo tiempo que el universo.

¿Por qué no desaparece la radiación relicta? ¿De qué está hecha? La gente comenzó a pensar en la naturaleza de la luz mucho antes de Cristo. Los antiguos griegos estaban seguros de que vemos el mundo que nos rodea porque nuestros ojos emiten rayos de visión que tocan los objetos. Solo en 1672, un físico inglés, Isaac Newton, en su nueva teoría de la luz y los colores, afirmó que la luz se compone de diferentes colores con diferentes refracciones y que no es blanca pura como afirmaba Aristóteles. Newton lo demostró experimentalmente: dirigió un rayo de sol a un prisma y vio siete colores del arco iris en la pantalla detrás de él.

Entonces, ¿por qué percibimos la luz como blanca? La cuestión es que el ojo humano es mucho menos sensible a la luz del sol, por eso no podemos ver todo el espectro. Newton también pensó que la luz estaba compuesta por partículas materiales, a las que llamó corpúsculos, y que se movían en línea recta desde la fuente de luz. Su teoría podía explicar cómo la luz se propaga y se refleja, pero no cómo se refracta.

Casi 20 años después, un físico holandés, Christian Huygens, publicó un trabajo en el que proponía una teoría de la luz como onda, y solo un siglo después, un físico inglés, Thomas Young, lo apoyó en su famoso experimento. Demostró que la luz se propaga como una onda.

El científico la hizo pasar consecutivamente a través de dos barreras: la primera contenía una rendija y la otra dos. Si la luz consistiera en partículas, emergerían dos líneas en la pantalla detrás de la segunda barrera, una frente a cada rendija. Sin embargo, lo que emergió en la pantalla fue un patrón de interferencia debido al hecho de que las ondas se superponían: había un aumento en la potencia en algunas partes y una disminución en otras. Por eso, detrás de la segunda barrera, en lugar de las dos líneas de luz, vemos una serie de rayas oscuras y claras que se asemejan a un código de barras.

El concepto de la naturaleza ondulatoria de la luz dominó hasta el siglo XX, cuando Albert Einstein descubrió que la luz en realidad consiste en partículas subatómicas sin peso.

Los científicos se refirieron a ellos como cuantos, pero hoy los conocemos como fotones y sabemos que cada uno combina cualidades de una partícula (impulso y energía) y de una onda (frecuencia y longitud de onda). Esta dualidad constituye la primera superpotencia de la luz: permite al fotón cubrir distancias gigantescas en fracciones de segundo como una onda e interactuar físicamente con el mundo circundante como una partícula. Por ejemplo, puede arrancar electrones de los átomos y cargar así las baterías solares o participar en la fotosíntesis.

¿Qué otras superpotencias oculta el fotón? La luz es una radiación electromagnética que percibe el ojo humano. Nace en el núcleo del Sol, donde los átomos de hidrógeno chocan entre sí, provocando potentes estallidos de energía. La luz de estos estallidos puede matarnos porque se trata de rayos gamma, la radiación más fuerte del universo. Estos rayos tienen una intensidad millones de veces mayor que la luz visible, pero no pueden salir del Sol en este estado.

Una vez que sale del núcleo, el fotón recién nacido necesita al menos 100 años para atravesar la gruesa capa de átomos de hidrógeno. En la zona de transferencia radiante, el fotón pierde una fracción de su energía al chocar con partículas cargadas de plasma, que lo empujan hacia la superficie. Sin embargo, cuando llega a la superficie, el fotón ya se ha convertido en un rayo X.

De media, los fotones pasan unos 170.000 años en la zona radiante, aunque algunos pueden permanecer allí durante millones de años. A continuación, el fotón pasa a la zona convectiva, que se extiende a lo largo de 200.000 kilómetros. Allí, el fotón golpea a los átomos de plasma, los calienta hasta el punto de ebullición, pero los átomos simplemente absorben los fotones y los empujan hacia la superficie. Este recorrido dura aproximadamente una semana. Durante este tiempo, los fotones se enfrían lo suficiente para convertirse en luz visible, y solo entonces están listos para abandonar la superficie del Sol.

Un fotón individual escapa de la fotosfera y termina en el espacio, donde puede vivir durante miles de millones de años.

Es decir, es virtualmente inmortal. Esta es otra de sus superpotencias.

Los fotones que viajan hacia la Tierra tienen un destino diferente. Tienen 8 minutos para llegar a nuestro planeta y morir. Un fotón que entra en un edificio volará por su interior y rebotará en sus superficies. Cuando pierda toda su energía, uno de los objetos del interior lo absorberá por completo. Gracias a este proceso, las cosas se calientan al sol. Y es que, según la primera ley de la termodinámica, la energía no se puede crear ni destruir, sino que simplemente se transforma de un proceso a otro.

Cuando encendemos la luz en una habitación, trillones de fotones la llenan. La mayoría de ellos son absorbidos por los objetos, pero una fracción de ellos se refleja en las superficies. Esto es lo que nos permite ver las cosas que nos rodean mientras la lámpara está encendida. La habitación recibe un flujo constante de fotones desde la lámpara, y todos estos procesos, desde la emisión de fotones de la lámpara hasta su reflexión y absorción, tienen lugar en aproximadamente una millonésima de segundo.

Pero no solo las fuentes de luz habituales emiten fotones. Los humanos también tenemos la capacidad de brillar. Esta capacidad de algunos organismos vivos para emitir luz se llama bioluminiscencia. En 2009, un grupo de científicos japoneses decidió averiguar si los humanos también poseemos esta superpotencia.

Su experimento fue publicado en la revista Plus One. Los investigadores colocaron a voluntarios en una habitación oscura con cámaras de alta sensibilidad. Allí registraron la luminiscencia y descubrieron que su brillo no era constante.

Las personas brillan menos a las 10 de la mañana y más a las 4 de la tarde. Los científicos relacionaron esto con el metabolismo del cuerpo, sin embargo, no revelaron ninguna correlación entre la luminiscencia y el calor corporal. Nuestro resplandor es absolutamente frío. Al mismo tiempo, nuestras caras brillan un poco más que otras partes del cuerpo. Sin embargo, los científicos no han descubierto qué procesos bioquímicos concretos son responsables del efecto.

La intensidad de nuestra luminiscencia es aproximadamente mil veces menor de lo que el ojo humano puede detectar. No está diseñado para percibir ondas de luz que van más allá de los 400 a los 800 terahercios. Por eso los humanos no pueden ver los rayos infrarrojos y ultravioletas, que superan significativamente estos límites. Por lo tanto, la mayor parte del espectro permanece invisible para los humanos, a pesar de tener un gran impacto en toda la vida en la Tierra.

Este es otro de los superpoderes de la luz, pero ¿podemos controlar los superpoderes de los fotones? Probablemente sí, pero ¿cómo podemos atraparlos? La cuestión es que el fotón es una partícula sin masa. Este es el superpoder que le permite viajar a una velocidad increíble. La velocidad de la luz en el vacío es de alrededor de 300.000 kilómetros por segundo. La luz puede rodear la Tierra en menos de una 17ª parte de segundo. Según la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, nada puede moverse más rápido. Al mismo tiempo, cuando un fotón se mueve, el tiempo para él se detiene.

¿Y si pudiéramos aprovechar este superpoder y utilizar la velocidad de la luz para los vuelos espaciales? Si alguien pudiera moverse a la misma velocidad que un fotón, el tiempo para él se movería más lentamente que para los observadores de la Tierra. A tal velocidad, el universo se vería diferente.

Las estrellas a las que se acerca la persona serían azules y las que se quedan detrás de ella serían rojas. La explicación de esto es que las ondas de luz de las estrellas que tiene delante se acortarían, haciendo que los objetos parezcan azules, mientras que las ondas de las que están detrás se extenderían para hacerse rojas, provocando un efecto Doppler extremo.

Sin embargo, los astronautas apenas tendrían tiempo de disfrutar de la vista desde la portilla, ya que lo que en otras circunstancias sería un puñado de átomos de hidrógeno indistinguibles a tan gran velocidad se convierte en una multitud de partículas peligrosas que colisionan con la nave espacial, calentándola a temperaturas increíbles muy rápidamente.

Teóricamente, los escudos y el revestimiento hechos de un material especial que podría evitar que la nave espacial junto con los humanos en su interior se asaran podrían resolver el problema. Pero a pesar de todos los riesgos, en 2020 los investigadores de Harvard anunciaron una forma de ayudar a acercarse a la velocidad de la luz en las naves interestelares.

Sugieren utilizar la explosión de una supernova para capturar su energía. Necesitarías una vela solar o magnética para ayudar a crear presión y propulsión que no requiere combustible. La nave espacial equipada con la vela, que pesa menos de medio gramo por metro cuadrado, debe colocarse a un millón de kilómetros de la supernova. La vela debe estar hecha de un material plegable altamente reflectante. Sin embargo, de esta manera solo alcanzaríamos una décima parte de la velocidad de la luz.

Pero ni siquiera los fotones se mueven siempre a la velocidad máxima, a menos que estén en el vacío. Pueden ralentizarse al pasar a través de algunos materiales. El grado en que un determinado entorno ralentiza la luz es su índice de refracción. Por ejemplo, en la atmósfera de la Tierra, la luz se mueve casi tan rápido como cuando viaja a través del vacío, solo se ralentiza en 3 entre 10.000 veces la velocidad de la luz. Pero al atravesar un material tan denso como el diamante, se ralentiza casi a la mitad. Sin embargo, sigue viajando a través de la gema a más de 100.000 kilómetros por segundo.

Así que los fotones pueden moverse más lentamente que la velocidad de la luz, pero ¿pueden moverse más rápido? Dadas todas las leyes físicas, no. Una vez que se alcanza la velocidad de la luz, el tiempo se detiene para el fotón. Toda su vida es un solo momento en general, lo que hace que moverse más rápido sea imposible.

Es lo mismo que intentar hacer que un coche parado vaya aún más lento, pero los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California y de la Universidad de Rochester de Nueva York realizaron un experimento y demostraron que todavía es posible. Están seguros de que la luz tiene ciertas cualidades que hacen posible eludir incluso las normas inviables. Los científicos consiguieron superar la velocidad de la luz en un 30%. Colocaron fotones en plasma caliente, donde al chocar entre sí sus impulsos crearon ondas que se movían a una velocidad de grupo.

Utilizando un láser, los investigadores arrancaron electrones de los flujos de iones de hidrógeno y helio, alterando así la velocidad de grupo de los impulsos enviados por la segunda fuente de luz. Este es otro de los superpoderes paradójicos de la luz, que puede incluso romper las leyes físicas. Pero si los científicos ayudan al fotón a acelerar, ¿significa esto que puede adquirir superpoderes? Si los científicos anteriores sólo descubrieron los superpoderes del fotón hoy en día, pueden dotarlo de nuevos poderes y utilizarlos para alcanzar sus objetivos en beneficio de la humanidad.

En 2016, científicos australianos publicaron un informe en Nature Physics en el que los investigadores hicieron algo imposible: congelar literalmente la luz. Los científicos enfocaron láseres infrarrojos en una nube atómica ultrafría. Los átomos absorbieron una parte de los fotones, mientras que la otra parte quedó atrapada y congelada en la nube gracias a la superposición cuántica. Gracias a esta investigación, los ordenadores cuánticos podrían estar tan disponibles como los teléfonos inteligentes. Pero, ¿qué pasaría si aprendiéramos no sólo a detener el fotón, sino también a controlar su movimiento?

Un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard consiguió detener un fotón y mantenerlo quieto durante 60 segundos. Publicaron los resultados de su trabajo en Physical Review Letters. Utilizaron un cristal completamente opaco que habían enfriado a una temperatura extremadamente baja. Lo quemaron con un láser para desencadenar la superposición cuántica de los dos estados y hacerlo transparente para una banda de frecuencias concreta.

Luego, utilizaron otro láser para dirigirse al cristal ya transparente en el proceso de radiación. En el proceso de radiación, apagaron la transparencia del cristal y la luz del láser quedó atrapada. Utilizando el mismo método, los científicos consiguieron mantener una imagen de luz de tres líneas. Imagina que enciendes una linterna en una habitación y luego cierras la puerta. Cuando abres la otra puerta más tarde, la luz se libera. El tiempo que pasa atrapada puede variar en función del tipo de cristal. Por ahora, el principal problema es que no funciona a temperatura ambiente.

La capacidad de manipular el movimiento de la luz es un gran paso hacia el desarrollo de enrutadores cuánticos, que son los únicos que pueden ayudar a crear una Internet cuántica absolutamente a prueba de hackers y ultrarrápida. Pero al mismo tiempo, los científicos siguen experimentando con otras cualidades de la luz. Investigadores de la Universidad de Utrecht y de la Universidad Tecnológica de Viena afirman haber creado ondas de luz únicas que pueden incluso viajar a través de materiales opacos.

Los científicos han publicado los resultados de su estudio en Nature Photonics. Han creado rayos de luz que permanecen prácticamente inalterados en entornos opacos, debilitándose solo ligeramente. El rayo atraviesa un obstáculo y aparece un patrón de luz en el otro lado con la misma forma que si no hubiera ningún obstáculo.

Los científicos utilizaron óxido de zinc y un polvo blanco opaco durante el experimento. Transmitieron varias señales de luz específicas a través del polvo y estudiaron cómo terminaban en el sensor colocado detrás de él.

¿Podremos ver a través de las paredes pronto? Tales descubrimientos borran todos los límites de la imaginación y conducirán a una verdadera re-evolución en la medicina y los estudios biológicos. Los hospitales utilizan rayos X para ver dentro del cuerpo, ya que debido a su mayor longitud de onda pueden penetrar nuestra piel. La capacidad de enfocar la luz en puntos particulares dentro de un objeto abre posibilidades absolutamente nuevas. Con este enfoque, incluso podríamos mirar dentro de las células.

Además, los investigadores siguen buscando fuentes de luz alternativas y ya han aprendido a extraerla del sonido. Se llama sonoluminescencia, pero actualmente solo funciona en líquidos. La esencia de la sonoluminescencia es crear burbujas diminutas en un líquido que implosionan colapsando rápidamente.

Cuando una burbuja implosiona rápidamente, libera energía en forma de calor y luz. Como resultado, el líquido circundante brilla intensamente por un breve momento. La temperatura en el proceso de sonoluminescencia puede alcanzar virtualmente decenas de miles de grados centígrados, que es más alta que en la superficie del sol. Este efecto se descubrió por primera vez en la década de 1930, pero solo en la década de 1980 los investigadores comenzaron a estudiarlo en profundidad.

Desde entonces, los científicos han descubierto que la sonoluminescencia no es exclusiva del agua sola, sino también de otros líquidos, incluidos algunos gases. Al mismo tiempo, una pequeña cantidad de energía puede producir un rayo de luz bastante poderoso. Con esta investigación, probablemente nos olvidaremos de las bombillas tradicionales e iluminaremos nuestros hogares con nuestra música favorita muy pronto.

Gracias a los superpoderes de los fotones y los científicos que los estudian, incluso la ciencia ficción de ayer se está convirtiendo en la realidad de hoy. Una empresa canadiense, HyperStealth Biotechnology, ha desarrollado y patentado un material delgado y flexible que, según afirman, permite la invisibilidad cuántica.

El sigilo cuántico, similar al plástico, consta de lentes microscópicas que dispersan los rayos de luz que penetran, por lo que todo lo que se encuentra a una cierta distancia detrás del material se vuelve invisible. No dobla los haces alrededor del objeto en el espectro visible solamente, sino también en el ultravioleta e infrarrojo. Esto permite que sea invisible a los ojos, los dispositivos de visión nocturna y las cámaras termográficas.

Si ya sabemos cómo volvernos invisibles, movernos a la velocidad de la luz y viajar en el tiempo están a la vuelta de la esquina. ¿Qué opinas?

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