Está en todos los titulares: El Premio Nobel de Física 2023 ha sido concedido a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier por su exploración de la física de eventos ultra-hiper-rápidos en tiempos de attosegundos. ¿Qué significa eso? ¿Qué es un attosegundo? ¿Cómo lo hicieron y para qué sirve? ¿Y cuál es la relación entre eso y caballos voladores?
Vamos por partes. Un attosegundo es un tiempo brevísimo: la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo. Para tener una perspectiva de qué significa eso: en medio segundo hay tantos attosegundos como segundos han transcurrido desde el inicio del universo en el Big Bang. Digiera eso y reléalo si es necesario, porque es realmente asombroso.
Cuando exploramos los detalles del universo solemos sentirnos muy orgullosos de ver distancias muy pequeñas: podemos crear microscopios que nos permiten explorar células y hasta átomos, y hemos creado aceleradores de partículas como el LHC que nos permiten explorar la pequeñez de las partículas subatómicas.
El problema es que el universo es dinámico y cambiante, no es una estatua. Además de explorar distancias muy cortas, para comprenderlo en detalle necesitamos explorar cosas muy rápidas, tiempos muy breves. Necesitamos un microscopio de tiempo.
¿Cómo hacer esto? Antes de contar cómo resolvieron esto los ganadores del premio Nobel, hay que tener en cuenta que este es un viejo problema con una historia muy divertida, relacionada con ¡caballos voladores! Desde hace miles de años los humanos hemos andado a caballo, pero hasta hace 150 años atrás, nadie sabía precisamente cómo galopa un caballo. Suena inconcebible, pero le pregunto: si usted tuviera que dibujar un caballo galopando, ¿cómo lo dibujaría? Probablemente intentaría dibujar algo así como este cuadro:
Hace 150 años había en California un criador de caballos de carreras llamado Leland Stanford que sospechaba que los caballos no galopaban como se ve en ese cuadro. Él estaba convencido de que cuando un caballo galopaba, había un momento en el que volaba con las cuatro patas recogidas debajo de la panza. Por supuesto, nadie le creía una afirmación tan rara; hay rumores afirmando que en su terquedad llegó a realizar una gran apuesta al respecto (aunque no hay evidencia histórica que lo confirme). Con o sin apuesta, el problema es que nuestros ojos humanos son tan limitados que no pueden distinguir algo que se mueve con la rapidez de las patas de un caballo y sólo vemos un enredo de pezuñas. ¿Cómo resolver el misterio?
Lo que hace interesante la historia es que en lugar de limitarse a discutir al respecto, el Sr. Standford contrató a un fotógrafo muy excéntrico de la época llamado Eadweard Muybridge con el objetivo de dirimir científicamente el misterio de cómo galopan los caballos.
La primera reacción del fotógrafo fue que lo que quería el Sr. Standford era imposible. Las placas fotosensibles de la época eran muy primitivas; para tomar un retrato tenías que tener a las personas tiesas durante un minuto completo para que no salieran borrosas. De todas formas, Muybridge intentó fotografiar un caballo corriendo lo mejor que pudo, ¡y por supuesto el resultado fue un borrón! Pero no se rindió. Después de años de trabajo, llegó a una solución. Primero que nada, se percató que para explorar el tiempo, no lo puedes hacer con sólo una foto. Necesitas muchas fotos consecutivas, una tras otra. Cada foto va a ser tomada por un tiempo muy breve, en este caso milésimas de segundo. Y dado que será un tiempo muy breve, necesitas luz muy intensa. En ese brevísimo instante tiene que entrar energía suficiente en la cámara para dejar un rastro.
Una de las pistas con cámaras montadas por Eadweard Muybridge para estudiar el galope de los caballos.
Por eso, montaron una pared blanca brillante al lado de una pista de carreras a todo sol. Frente a esta pared, alinearon una al lado de la otra doce cámaras fotográficas de la mejor calidad disponible en la época. Cada cámara estaba conectada con un fino cable que cruzaba la pista. Se escogió una yegua oscura para que contrastara con el fondo brillante. Cuando ella pasara al galope, cortaría un cable tras otro, accionando el diafragma de la cámara correspondiente, el cual iba a abrirse y cerrarse muy rápidamente.
De esta forma se dilucidó el misterio equino de una forma inesperada: ¡el Sr. Standford tenía razón! Las imágenes demostraban que, por un breve instante, un caballo al galope vuela con todas sus patas recogidas debajo de la panza.
El descubrimiento apareció en todas las revistas científicas de la época. La gente no lo podía creer, y los artistas que llevaban siglos representando caballos en forma errónea estaban indignados. El escultor Auguste Rodin (el de la famosa escultura del pensador), incluso dijo que las fotografías mentían y que sólo los artistas podían tener razón, pues era imposible detener el tiempo.
La yegua Sallie Gardner al galope.
La respuesta del fotógrafo fue crear un aparato extraordinario. Algo que permitiera proyectar las imágenes de caballo en rápida sucesión, una después de la otra, revelando el paso del tiempo. Su máquina es llamada el zoopraxiscopio y fue el precursor del proyector que tenemos hoy en todos los cines.
La tecnología ha avanzado muchísimo pero los principios siguen siendo similares. Nuestras cámaras usan electrónica en lugar de cables que se cortan, pero la idea sigue siendo la misma: activar y desactivar durante un tiempo muy breve para tomar rápidamente imágenes consecutivas. Por ejemplo, las cámaras de nuestros teléfonos toman fotos consecutivas durante centésimas de segundo para crear un vídeo.
Pero se puede hacer mucho mejor. Cuando tomamos imágenes durante microsegundos (o sea, millonésimas de segundo), podemos ver eventos tan rápidos como la acción de una bala y las ondas de choque que crea.
Video de bala y ondas de choque
Pero eso es sólo el principio de lo asombroso. Podemos considerar incluso tiempos más breves: de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo, o un picosegundo. Con imágenes tan rápidas podemos incluso ver como la luz ¡recorre una botella de Coca Cola!
Rayo de luz recorriendo una botella de Coca Cola, imágenes en escalas de picosegundos.
Pero para explorar el comportamiento de cosas tan rápidas como los electrones de los átomos, necesitamos poder explorar tiempos tan breves que parecen imposibles: los attosegundos. Los ganadores del Premio Nobel de este año fueron galardonados porque rompieron ese límite usando ciencia, la herramienta para hacer real lo que parece imposible. Para conseguirlo, el truco fue llevar la luz láser al límite de lo imaginable.
La luz es una onda electromagnética, y como toda onda tiene un “paso” o longitud de onda. Si conseguimos aislar una sola oscilación de una onda de luz ultravioleta, una sola cresta y un solo valle, ese pulso de luz con una sola oscilación duraría attosegundos y lo podríamos usar como un estroboscopio ultra rápido. Pero del dicho al hecho hay mucho trecho; ¿cómo hacer algo así? No hay forma de encender y apagar un láser tan rápido que sólo podamos tener un solo período de la onda.
Los físicos que recibieron el Nobel 2023 crearon la versión óptico-cuántica de la pista de cámaras del antiguo fotógrafo Muybridge. Al iluminar gases bajo condiciones muy especiales con láseres de colores muy precisos, es posible hacer que el gas emita luz en colores adicionales muy particulares, que corresponden a oscilaciones más rápidas que la luz original. Este efecto, descubierto por L’Huillier es llamado “sobretonos”. Manipulando las moléculas de estos gases para que actúen como una orquesta de luz, es posible hacer que se emitan los sobretonos precisos para crear un efecto casi mágico: se pueden hacer interferir para crear un poderoso pulso individual ultra corto de una sola oscilación, seguido de un período de interferencia destructiva y oscuridad, y después otro pulso ultra corto idéntico al primero, y así sucesivamente. En lugar de una cámara tras otra, de esta forma es posible crear pulsos de luz ultra breves uno tras otro.
Sobretonos, video del Instituto Max Planck sobre el trabajo de Ferenc Krausz.
De esta forma, en lugar de estudiar caballos volando al galope, es posible observar el comportamiento ultra-rápido de electrones en una reacción química, dentro de una célula, en un circuito eléctrico o cambiando entre los niveles energéticos de un átomo. Gracias a esto, ahora sabemos que muchas cosas que tradicionalmente en cuántica considerábamos instantáneas en realidad son procesos que toman algunos attosegundos.
¿Para qué puede servir esta nueva técnica? Las posibilidades son increíbles, y abarcan desde crear computadores cientos de miles de veces más rápidos que los actuales a nuevas herramientas para la detección temprana del cáncer.
Sin embargo, si el viejo fotógrafo Eadweard Muybridge de hace 150 años estuviera aquí, sé que preguntaría ¿cuál es el límite? ¿Puedo estudiar tiempos mucho más breves aún? ¿Hasta dónde se puede llegar?
Curiosamente, en el universo parece haber un límite para nuestros “microscopios de tiempo”. Los cálculos sugieren que es posible que existan brevísimos “píxeles” indivisibles de tiempo, con una duración de un tiempo de Planck. Este tiempo de Planck sería cientos de millones de millones de millones de millones de veces más breve aún que un attosegundo (sí, dije millones cuatro veces). Quien osase explorar tiempos tan breves usando láser tendría que usar luz tan energética que curvaría el espacio y el tiempo en forma tan extrema que transformaría en un agujero negro lo que queremos explorar.
Pero aunque parezca casi imposible, vale la pena explorar estos límites. Algún día tendremos que escudriñar intervalos de tiempos tan breves como el tiempo de Planck, pues esa es la clave para comprender el principio del tiempo en el Big Bang. Lo que podría esconderse ahí es el caballo volador más extraño de todos: nuestro universo.