Observan por primera vez un extraño fenómeno físico que viola la simetría del tiempo

Por primera vez, un grupo de científicos ha observado un exótico fenómeno físico en el laboratorio, después de décadas de intentos. Dicho fenómeno implica ondas ópticas, campos magnéticos artificiales y la reversión del tiempo, y puede llevar a importantes avances en la computación cuántica.

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Estados Unidos, han publicado un artículo en Science en el que han revelado su observación del efecto Aharonov-Bohm no-abeliano. Este fenómeno, que recibe el nombre de los teóricos que lo predijeron en 1959, confirmó que los campos de gauge –marcos matemáticos que describen las transformaciones que las partículas experimentan– tienen consecuencias físicas. Dentro de estos, existen sistemas abelianos o no-abelianos: mientras que en los primeros el proceso es igual cuando el tiempo va hacia atrás y cuando va hacia delante, en los segundos no.

Como casi siempre ocurre, la teoría llega antes que las observaciones experimentales. Así, en 1975 dos científicos predijeron un experimento en el que observar los fenómenos no-abelianos, en los que la dirección del tiempo sí que importa, pero se desconocía si sería posible observar este fenómeno experimentalmente, porque no se sabía cómo crear este efecto y ni siquiera cómo observarlo. Ahora, más de cuarenta años después, se han logrado estos dos objetivos.

La simetría del tiempo

El efecto reproducido ahora tiene que ver con una extraño e increíble aspecto de la física moderna: el hecho de que muchos fenómenos físicos fundamentales son idénticos tanto si el tiempo va hacia delante como si va hacia atrás, de forma que no se puede distinguir cuál es la versión real. Esto es lo que constituye la simetría del tiempo.

El fenómeno observado ahora, el efecto Aharonov-Bohm no-abeliano, viola esta simetría: no es igual si el tiempo va hacia delante o si el tiempo va hacia atrás.

Conseguir la versión abeliana de este efecto ha requerido romper la simetría de la reversión temporal, lo que ya de por sí es un reto, tal como ha dicho en un comunicado Marin Soljacic, coautor del estudio. Pero conseguir reproducir la variante no-abeliana ha requerido hacer esto múltiples veces y de distintas formas, lo que ha sido aún más complicado.

¿Cómo lo han hecho? Los investigadores modificaron la polarización de los fotones, la propiedad que aparece porque las ondas electromagnéticas oscilan con más de una orientación, para revertir la simetría temporal. Lo hicieron por medio de dos formas distintas para alterar la polarización: en una enviaron fotones a través de un cristal influido por un potente campo magnético, y en el otro, modularon la polarización de los fotones por medio de variaciones en señales eléctricas.

Después llegó el momento de poder «leer» los resultados de estos cambios en la polarización. Para ello, recurrieron a los patrones de interferencia generados por los fotones. En concreto, observaron las diferencias aparecidas al enviar los fotones por una fibra óptica en dos direcciones opuestas.

La ruptura de la simetría de reversión temporal implica que comienza a importar en qué dirección transcurra el tiempo, por lo que las ondas deberían de haber dejado de ser sido idénticas en las dos direcciones. Y esto es lo que observaron: las interferencias mostraron diferencias concretas predichas por los modelos.

Este hallazgo «nos permite hacer muchas cosas», ha dicho Yi Yang, otro de los autores. Fundamentalmente, abre la puerta a muchos experimentos, tanto con sistemas clásicos como cuánticos, para explorar las variaciones de este efecto. Más adelante, esto permitiría hacer varios experimentos útiles para la investigación en física básica y, en especial, para avanzar en el campo de la computación cuántica.

/psg