VELOCIDAD SUPERLUMINAL

TECNOLOGIA GANANCIA ASISTIDA

GRUPO DE PRINCETON

ALFONSO LEON GUILLEN GOMEZ

BOGOTA, COLOMBIA, OCTUBRE DE 2001

aguillen@gmx.net

Derechos Reservados

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OBRAS DEL AUTOR:

1. Una velocidad mayor que la de la luz, que trata sobre la formulación por parte del autor de la existencia en la naturaleza de velocidades mayores que c, una de las cuales sería la velocidad de la gravedad. Esta obra fue escrita en 1969 y publicada en el Semanario Dominical del períodico "El Siglo" entre 1969-1970.

2. Propuesta para la realización de un experimento que sirva para medir la velocidad de propagación de la gravitación según las mareas. En esta obra con base en considerar el campo gravitatorio estático compuesto de gravitones virtuales se propone realizar un experimento para medir la velocidad de propagación de este campo. Esta obra fue publicada en septiembre de 1993. En esta obra se sugiere que la velocidad de la gravedad, dentro del sistema Tierra-Luna-Sol, tiende a infinito, con base en el análisis de la ecuación usada para el pronóstico de las mareas.

3. La Gravedad, que trata sobre los fundamentos teóricos de las velocidades superluminales y la estimación de una fórmula para medir la velocidad de la gravedad con base en la astronomía de posición. Esta obra escrita originalmente en 1995 y revisada en 1996, es precursora de la obra de Tom Van Flandern. En esta obra se pronóstica que la velocidad de la gravedad, dentro del sistema solar, tiende a infinito, con base en el análisis de la ecuación hallada.

4. Los experimentos indican que la velocidad de la gravedad es mínimo 20 mil millones veces c, que trata sobre los experimentos del Doctor Tom Van Flandern mediante los cuales establece la anterior velocidad para la gravedad. Esta obra fue publicada en febrero de 2001.

5. La ley de la inercia de la energía y la velocidad de la gravedad. Octubre, 2004. En esta obra, con base en las teorías de la relatividad y quántica, el autor establece la ley de la inercia para las partículas de los campos electromagnético y gravitatorio y explica que la velocidad de la gravedad es mayor que c.

6. La velocidad de la gravedad. 2006. En esta obra, se presenta la controversia sobre la velocidad de la gravedad entre los relativistas y Tom Van Flandern, los experimentos realizados para medirla y los fundamentos del autor acerca de su tesis acerca de la velocidad superluminal de la gravedad.

7. La gravedad si es una fuerza. 2006. En esta obra, se presenta la tesis del autor acerca que la Relatividad General mediante una simplificacion aritmetica hace desaparecer ontologicamente la fuerza y la masa en la gravedad y mediante tal ardid la explica como el efecto del movimiento acelerado del espaciotiempo sobre los cuerpos transmitiéndoles dicho movimiento.

8. Espaciotiempo propiedad estructural de la materia en movimiento. 2007. En esta obra el autor resuelve la contradicción teórica existente entre la Relatividad General que define el campo gravitacional como la curvatura del espaciotiempo y la Gravedad Cuántica que lo define como una fuerza de interacción fundamental, con el cambio de la concepción del espaciotiempo de propiedad geométrica estructural del campo gravitacional a la concepción del espaciotiempo propiedad geométrica estructural de la materia en movimiento.

 

ANTECEDENTES

 

Entre 1969-1970, el autor formuló la existencia de velocidades mayores que la velocidad de luz, en cuatro artículos, que fueron publicados por el Semanario Dominical del períodico "El Siglo". Los originales pueden verse aquí.

 

 

 

Entre 1991-1993, el autor propusó la realización de varios experimentos conducentes a la medición de la velocidad de la gravedad a partir del campo gravitatorio estático, bajo el supuesto de que este campo esta constituído por gravitones virtuales. Estos experimentos fueron concebidos desde la perspectiva de la Astrofísica que estudia la constitución y evolución de los objetos celestes en especial del Sol y, posteriormente, de la Geografía Astronómica, que describe algunos fenómenos que ocurren en la Tierra y están relacionados con los astros, refiriéndome a los más típicos como son los eclipses y las mareas. Los documentos que acreditan estos trabajos pioneros del autor, en los principios de 1990, pueden verse aquí.

INDICE DE MATERIAS

Introducción *

Parte 1. EL LASER *

Capítulo 1. El átomo *

1.1 Estructura del átomo *

1.2 Teorías sobre el átomo *

1.3 Propiedades de los componentes del átomo *

1.4 Interacción electromagnética *

1.5 Energía total del átomo *

1.6 Fuerza de los fotones sobre los átomos *

1.7 Estructura cuántica de los orbitales *

1.9 Estructura fina *

1.10 La constante de la estructura fina *

1.11 Estructura hiperfina *

1.12 Efecto Zeeman *

1.13 La evolución del electrón dentro de los orbitales *

1.14 Las transiciones orbitales de los electrones y los tipos de radiación *

1.15 Transiciones D1 y D2 *

Capítulo 2. La onda electromagnética *

2.1 Qué es la onda electromagnética? *

2.2 Polarización *

2.3 Anatomía de la onda electromagnética *

2.4 Comportamiento de las ondas *

2.5 El transporte de energía *

2.6 Espectro electromagnético *

2.7 Propiedades de las líneas espectrales *

2.8 Algunas propiedades relevantes de los tipos de ondas electromagnéticas *

Capítulo 3. El átomo y el electromagnetismo y su aplicación al láser *

3.1 Los procesos de emisión €“ absorción *

3.2 La interacción hamiltoniana *

3.3 ¿Cuál es el mecanismo de la interacción entre el átomo y el campo electromagnético? *

3.4 El fenómeno de emisión y absorción electromagnética del átomo según la teoría cuántica *

3.5 La emisión electromagnética *

3.6 La absorción electromagnética *

3.7 ¿Existen otros efectos en los procesos de emisión y absorción? *

3.8 Principio universal de la interacción fotón €“ partícula cargada *

3.9 La ecuación de onda de Schrodinger (SWE) *

3.10 Qué es el láser? *

3.11 Componentes del láser *

3.12 La producción del láser *

3.13 Poblaciones atómicas de tres estados *

3.14 Frecuencias Rabi *

3.15 La polarización de Rabi y la del espín del fotón *

3.16 Efectos distorsionantes potenciales del láser *

3.17 El revestimiento de las paredes de la cavidad del láser *

3.18 Transporte de datos, voz e imagen *

3.19 Láseres de pulso y continuos *

3.20 Láser sintonizable *

3.21 La acción de dos rayos láseres *

Parte 2. Las velocidades superfotónicas *

Capítulo 4. La interacción electromagnética con los medios substanciales y las velocidades subfotónicas *

4.1 Velocidades del fotón, la energía, señal, fase y grupo *

4.2 La interacción electromagnética en el límite entre dos medios *

4.3 La división de la onda electromagnética en pulsos *

4.4 Mecanismos de la reflexión y refracción *

5 El experimento de velocidad superfotónica basado en la tecnología Ganancia asistida *

5.1 La función de onda *

5.2 Velocidad de fase *

5.3 Velocidad de grupo *

5.4 La velocidad de los pulsos de luz *

5.5 Relaciones entre las velocidades de fase y grupo *

5.6 Dispersión *

5.7 Las velocidades de fase y grupo pueden superar C *

5.8 Los problemas existentes en torno a la velocidad mayor que C *

5.9 El experimento de Princeton *

Conclusiones *

Bibliografía *

 

This work also the reader can see it in english (Esta obra también el lector puede verla en inglés).

 

El autor expresa su agradecimiento al profesor doctor Aephraim M. Steinberg, del Departamento de Física de la Universidad de Toronto, Canadá, quien con sus fundamentales aclaraciones, hechas el 9 de octubre de 2001, contribuye al rigor científico en la correcta interpretación, que se hace en esta obra, desde el punto de vista de las leyes que rigen los fenómenos ópticos, del experimento superluminal realizado en Princeton. También, expresa su agradecimiento al profesor doctor Helmut Rechenberg del Instituto para la Física Max Planck de Munich, Alemania, quien fija el alcance, de este experimento, con relación a la teoría de la Relatividad de Albert Einstein y define las condiciones experimentales respecto a las velocidades superluminales, en las que se requeriría de una nueva teoría física, conceptos formulados el 26 de septiembre de 2000.

"El problema del conocimiento....,requiere una reinterpretación...Y no fue posible esta nueva concepción del conocimiento dentro del marco de la Física newtoniana."

Hans Reichenbach

Introducción

Entre 1969 y 1970, en contra de la teoría de la Relatividad de Einstein, expuse la teoría de la existencia de velocidades en el Universo mayores que C, una de las cuales sería la de la gravitación(1), basándome en los fundamentos de la teoría cuántica de la gravedad expuestos por los físicos rusos M, Vasiliev y K. Staniukovich quienes publicaron en el libro “El Cosmos y sus siete estados”, Moscú, 1967, que la gravedad podía ser un estado más de la materia que se manifiesta bajo los aspectos del gravitón-onda gravitatorio del campo gravitatorio, y en el papel que público en 1968 el científico ruso Andrei Saharov en el cual dijo que la gravedad podía provenir de cambios que la presencia de la materia en el Universo provoca en el punto cero de la energía del vacío.

Después de treinta años, hoy día, se acepta que "en la naturaleza ciertamente existen velocidades mayores que la de la luz, por ejemplo, conectadas con la velocidad de fase de las ondas electromagnéticas en sólidos", como lo manifiesta el doctor Helmut Rechenberg, del Instituto para la Física Max Planck, en Munich, en respuesta a una carta que le dirigí en agosto de 2000.

Por otra parte, durante la pasada década de los noventa, entre otras, se han desarrollado dos tipos básicos de tecnologías de velocidades superluminales(2). La más antigua, la tecnología de las ondas evanescentes, conocida como tecnología tunel, creada, en 1992, por el equipo del doctor Gunter Nimtz, en Colonia, Alemania, donde se ha alcanzado 30C. Y la tecnología Ganancia Asistida producida, en el 2000, por el equipo de Lijun Wang, Alexander Kuzmich y Arthur Dogariu, en Princeton, Estados Unidos, donde lograron 310C.

No obstante, por los anteriores hechos físicos de la existencia en la naturaleza y el desarrollo de tecnologías de velocidades superluminales, todavía no se puede controvertir crucialmente a Einstein. Al respecto Rechenberg dice: "La cuestión pertinente para la Relatividad de Einstein es si se puede transportar cualquier información con esas ondas. El experimento de Princeton no muestra eso"(3). Pero, agrega: "con ondas gravitatorias sería otra cuestión".

En 1998, el matemático y astrónomo, doctor Tom Van Flandern, metainvestigador de la Universidad de Meryland, Estados Unidos, cuestionó seriamente a Einstein, utilizando su propia teoría de la Relatividad para demostrar como, con su concepción geométrica de la gravedad, viola el principio de causalidad, lo cual condujo, a este investigador, ha adoptar la explicación de que la gravedad es una forma de radiación distinta al electromagnetismo.

(1) Esta teoría fue publicada en el Semanario Dominical de "El Siglo", en cuatro artículos.

(2) Se entiende por luminal la velocidad C.

(3) Gunter Nimtz transmitió la 40 sinfonía de Mozart a 4.7C, pero no le valen esto como información o señal.

Es decir, contextualizándola dentro del fenómeno cuántico. Desde esta perspectiva, Van Flandern aplicó las técnicas usadas para el campo electromagnético, y estimó que la velocidad de la gravedad es mínimo 20 mil millones C (4). Este resultado es consistente con la deducción realizada por el autor, en 1970, y luego ratificada en sus propuestas de medición de la gravedad(5), principalmente formuladas en 1993, 1995 y 1996.

Hacia finales de 2000, la infraestructura necesaria para medir experimentalmente la velocidad de la gravedad, quedó establecida para los cuatro grandes proyectos que en el mundo tienen ese propósito, durante el próximo lustro. Estos son GEO, en Alemania, LIGO, en Estados Unidos, TAMA en Japón y VIRGO, en Italia, que cuenta con la cofinanciación y participación de Francia.

Si se confirma que la velocidad de la gravedad supera C, como Rechenberg dice: "se requeriría de una teoría diferente de la Relatividad de Einstein". Van Flandern propone retomar la teoría de la Relatividad de Lorentz, que si permite la existencia de velocidades mayores que C. El autor ha desarrollado la teoría holística de la materia con ese mismo fin(6).

En la presente obra el autor presenta el experimento de Princeton, que constituye una verdadera hazaña del ingenio humano al haber conseguido llevar la velocidad de grupo de la onda electromagnética a 310C, sin que se produzca perdida de energía.

El líder del equipo, de la NEC Research Institute Physical Science, que realizó el experimento es el físico y astrónomo Lijun Wang Ph.D., de la Universidad de Rochester. Durante su doctorado los temas que trabajo fueron óptica cuántica y física del Láser. Durante su postdoctorado trabajo en la Universidad de Duke en la investigación de la interacción de la luz con la materia y la manipulación de los átomos.

Esta obra, en los capítulos primero a cuarto, desarrolla algunos de los temas trabajados por Wang, necesarios para la comprensión de la tecnología Ganancia Asistida. Y en el capítulo quinto se presenta el experimento superluminal.

(4) El autor, en febrero de 2001, publicó la obra: "Los experimentos indican que la velocidad de la gravedad es mínimo 20 mil millones veces C", donde presenta la teoría de Tom Van Flandern.

(5) En las obras del autor:

- Propuesta para la realización de un experimento que sirva para medir la velocidad de propagación de la gravitación. 1993.

- Propuesta para medir la velocidad de la gravedad con base en la Astronomía de Posición. 1995.

- La Gravedad. 1996.

(6) Esta obra en preparación será proximamente divulgada.

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Parte 1. EL LASER

La realidad está compuesta por los fenómenos de la substancia y el campo. Tanto la substancia como el campo poseen un doble comportamiento de onda(7) y partícula. Es decir, la substancia y el campo poseen una doble naturaleza continua, en su manifestación ondulatoria, y discontinua, en su manifestación cuántica.

La diferencia fundamental es que la substancia posee composición atómica, mientras, el campo está compuesto por cuantos de energía. Su otra diferencia esencial es que el campo se manifiesta principalmente como onda mientras la substancia como partícula.

De acuerdo con la teoría cuántica la energía, almacenada en el campo, es emitida o absorbida en montos discretos o paquetes de energía que se comportan en muchas situaciones como las partículas de la substancia, por ejemplo, en el efecto fotoeléctrico. Por su parte, el electrón y demás partículas y subpartículas componentes de la substancia poseen propiedades que sólo pueden explicarse en los términos de las propiedades del movimiento de una onda como, por ejemplo, producir difracción. O en el caso del electrón que las longitudes de sus órbitas, en torno al núcleo, son exactamente longitudes de onda. Además, que los electrones no se manifiestan como puntos sino que se comportan esparcidos sobre su órbita entera.

La teoría clásica, de donde proviene la identificación de la realidad material con el fenómeno de la substancia, ignoró que la substancia posee el carácter de onda y el campo el de cuanto(8).

Hoy día tenemos la certeza que substancia - campo son el resultado del enfriamiento que ocurrió en el Universo treinta y dos minutos luego del Big - Bang, momento en el cual se produjo la núcleo síntesis atómica y el surgimiento de la substancia organizada a partir de átomos. El Universo se originó en el campo; en el momento mismo del Big - Bang sólo existió energía(9) y durante el lapso en que la temperatura fue mínimo diez por diez elevado a la treinta y dos grados kelvin sólo existió campo(10).

De tal manera, en los capítulos 1 y 2, nos referiremos a las bases de los dos fenómenos físicos fundamentales de la naturaleza que son, también la base de la tecnología del láser:

- Los átomos estructura constitutiva de la substancia.

- La onda electromagnética forma de la energía en la cual se manifiesta el carácter cuántico de está.

En el capítulo 3 se tratará la interacción entre el átomo y la onda electromagnética y su aplicación a la producción del láser, dentro de cuyos bastos empleos está el que soporta las actuales tecnologías de velocidades superfotónicas.

Por tanto, esta parte 1 está orientado a la comprensión del láser, tecnología que no obstante provenir desde cerca medio siglo se mantiene de punta.

(7) Las ondas de la substancia son llamadas ondas de la materia y fueron descubiertas por Broglie.

(8) La teoría de la física clásica e incluso Einstein comprenden lo material lo compuesto por átomos o, al menos, por partículas o subpartículas atómicas. El autor considera la materia constituída tanto por la substancia como por el campo.

(9) Energía en tal grado de densidad que la hubieramos percibido con análoga realidad física a la de la substancia en estado líquido.

(10) El autor tiene la teoría que las constantes físicas universales no lo son en un sentido estricto y que evolucionan en función a los cambios de temperatura ocurridos durante la génesis y la evolución que está ocurriendo en el Universo. De esta manera, la velocidad C del fotón no ha tenido siempre el valor que fue medido durante los experimentos realizados en el siglo 19. Esta velocidad en el instante de aparición del electromagnetismo, es decir, cuando se produjo su diferenciación con respecto de la supergravedad, debió ser varias veces C. Al respecto el físico norteamericano Steve Carlip piensa que las constantes cambian con el tiempo y el espacio. Y un grupo de científicos en la Universidad de New South Wales en Australia detectaron, en 1999, que la constante de la estructura fina ha cambiado en el tiempo, ratificado por astrónomos en el National Radio Astronomy, Instituto Max Plank, Universidad de Colorado, Instituto Space Telescope Science, Netherlands Foundation for Research in Astronomy, Instituto Kapteyn Research, Onsala Space Observatory y Harvard Smithsonian.

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Capítulo 1. El átomo

El átomo, visto desde la perspectiva de que constituye el soporte natural para la generación del láser, interesa como mecanismo de producción de energía no nuclear, en sus procesos de absorción y emisión de radiación electromagnética, especialmente en el nivel de las estructuras fina e hiperfina del átomo.

Por tanto, se trata de estudiar el átomo fundamentalmente en el nivel de sus capas de electrones e interacciones energéticas, o sea, del paso de electrones entre capas, de la interacción del electrón consigo mismo, causante de la estructura fina, y de la interacción del electrón con el núcleo, causante de la estructura hiperfina. Además, estudiar la interacción energética del átomo con su entorno, de donde proviene la energía que absorbe y adonde va a parar la energía que emite.

La teoría que trata acerca del fenómeno energético es la teoría cuántica, la cual es vista aplicada a la física del átomo y del electromagnetismo, concebidos en su naturaleza dual de onda €“ partícula y sujetos al principio de incertidumbre.

En este capítulo se presenta la teoría cuántica del átomo y su energía para la determinación de las estructuras y procesos, que intervienen en la producción del láser.

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1.1 Estructura del átomo

El átomo es una estructura compuesta por un núcleo y electrones que se trasladan en torno suyo, dentro de orbitales(11). Según algunos autores, los electrones y componentes del núcleo poseen movimiento de rotación. Adicionalmente, los electrones poseen el movimiento de paso entre los orbitales del átomo. La evolución del átomo está determinada por su interacción con el campo(12), principalmente, el electromagnético que es el responsable de los diferentes movimientos que poseen los electrones y puede ser del movimiento de "rotación" de los componentes del núcleo. La ligadura de los componentes y subcomponentes del núcleo es debida al campo fuerte y el proceso de desintegración de los núcleos de los átomos radiactivos provocada por el campo débil.

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1.2 Teorías sobre el átomo

En la elaboración de la actual teoría sobre el átomo concurren tres teorías: la clásica, la de Bohr y la cuántica(13).

El paso de una a otra ha sido consecuencia de los sucesivos descubrimientos experimentales sobre la estructura y el comportamiento del átomo, y el electromagnetismo que la teoría de turno no pudo explicar.

La concepción clásica aportó el modelo del átomo compuesto por electrones y núcleos(14), entre los cuales se ejerce una fuerza eléctrica atractiva, que sí los electrones son empujados hacia el núcleo emiten energía electromagnética y que si son empujados hacia el exterior absorben energía electromagnética.

Por su parte, la teoría sobre el átomo de Bohr agregó, para los electrones en los átomos, los estados de energía cuantizada de acuerdo a orbitales, los que constituyen los caminos a través de los cuales los electrones se trasladan alrededor del núcleo.

La actual concepción cuántica del átomo se basa en los postulados siguientes:

- Los electrones y muones(15) se trasladan(16) respecto al núcleo dentro de ciertos orbitales, asociados con estados discretos de energía(17).

Estos orbitales se pueden describir mediante una ecuación de onda, conocida como ecuación de onda de Schrodinger (SWE)(18).

- Los cambios del electrón o muón entre orbitales están acompañados de la absorción o emisión de cuantos de energía electromagnética.

- La energía electromagnética, que radia o absorbe el átomo, está compuesta por paquetes discretos de energía llamados fotones. Por tanto, la energía electromagnética es de naturaleza discreta. Es decir, varia de acuerdo a cuantos de energía(19).

- Los electrones y los componentes del núcleo del átomo: neutrones, protones y demás subpartículas, así como el fotón tienen propiedades de onda(20).

- Todos lo componentes(21) del átomo y el fotón poseen espín, el cual para algunos autores es el movimiento de giro de una partícula o del fotón orientada en una determinada dirección y, para otros autores, es la simple orientación de la partícula en una dirección del espacio. El desacuerdo radica en que según la teoría cuántica estas partículas no poseen eje, debido a su comportamiento ondulatorio.

Sin embargo, para la explicación de su propiedad magnética es necesario considerarlas con un cierto movimiento de giro, aunque, no en el sentido de rotación.

- Dos o más electrones o muones no pueden existir en el mismo estado(22) de energía u orbital.

- El lapso dentro del cual un determinado estado de energía puede existir y la energía del estado no pueden conocerse simultáneamente(23).

- Se pueden determinar la longitud de onda, energía y amplitud, pero no donde se encuentra el electrón, porque una onda se extiende en el espacio, sobre todas sus direcciones.

- Mediante la ecuación de Schrodinger se puede calcular la amplitud de la onda de un electrón en varios puntos del espacio.

- Varias expresiones son posibles para la amplitud de una onda que satisfacen la ecuación de Schrodinger. Debido a los cual tan sólo se puede determinar la probabilidad de encontrar un electrón en una región dada del espacio.

- Los efectos relativísticos(24) y magnéticos del electrón causan la presencia de una fina división de la energía de los orbitales.

- El efecto de la interacción entre el magnetismo del electrón y el del núcleo producen la presencia de una hiperfina subdivisión de la energía dentro de la división fina de los orbitales.

El calificativo que recibe la teoría de cuántica, en cuanto se refiere a que la energía está cuantizada, en términos de la teoría del átomo proviene de Bohr y en lo referente al cuanto a su descubridor Planck.

(11) A diferencia de las orbitas que describen los planetas en torno al Sol los electrones se mueven en nubes alrededor del núcleo.

(12) Existen cinco formas conocidas del campo. Estas son: Electromagnético, débil, fuerte, gravitatorio y uno de reciente descubrimiento.

(13) La mecánica cuántica fue desarrollada para describir el movimiento de las partículas y subpartículas atómicas confinadas en microespacios. Mientras que la mecánica de Newton describe el movimiento de los macroobjetos en el Universo. Y la mecánica relativista al movimiento en un continuo de cuatro dimensiones de Minkowski, el cual tiene la propiedad de que la velocidad de la luz es constante para todo observador y límite máximo de toda velocidad.

(14) Los núcleos están formados por neutrones y protones.

(15) Los muones son electrones que aparecen asociados con dos neutrinos. Su masa es 207 veces la del electrón. Los muones son altamente inestables y se desintegran rápidamente. Sin embargo, existen átomos muónicos aunque son escasos.

(16) Este movimiento es conocido en la concepción de Bohr como la órbita del electrón similar a la de un planeta alrededor de una estrella como el Sol. Y, en la actual teoría, el movimiento de traslación de nuve.

(17) Teoria de Bohr acerca del átomo de hidrógeno.

(18) SWE es una ecuación de probabilidad. SWE esta definida de acuerdo al principio de incertidumbre de Heisenberg, o sea, p ³ h/i , donde p = incertidumbre en momento, i = incertidumbre en posición, y h = constante de Planck.

(19) Un cuanto es n veces la constante de Planck. Esta constante es igual a 6.62620 por 10 a la menos 34 Js.

(20) Principio de Broglie.

(21) También, los protones y neutrones, dentro del núcleo, poseen espín. E igualmente, lo tienen los quarks y subquarks componentes y subcomponentes de los hadrones o partículas pesadas, dentro de los cuales están el protón y el neutrón.

(22) Principio de exclusión de Pauli.

(23) Principio de incertidumbre de Heisenberg.

(24) De acuerdo con Sommerfeld, tal efecto es el del cambio de la masa del electrón con su velocidad.

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1.3 Propiedades de los componentes del átomo

Las partículas y subpartículas componentes del átomo poseen:

- Carga eléctrica la cual se manifiesta como campo eléctrico(25).

- Momento del dípolo magnético(26) que se manifiesta como campo magnético.

- Momento de la cantidad de movimiento de la partícula o subpartícula(27) que hipotéticamente se manifiesta como campo del espín.

Cada campo, de los anteriores, interactúa con cada otro.

El espín de las partículas y subpartículas, componentes del átomo, se orienta según dos valores: arriba o abajo, para cualquier dirección espacial.

El fotón, componente cuántico del campo electromagnético, carece de carga eléctrica y de momento del dípolo magnético. Pero, el fotón posee espín cuyo eje siempre es paralelo a la dirección espacial de su movimiento, aunque, en el sentido atrás o adelante. Estos dos valores corresponden a los fotones de mano izquierda y mano derecha.

(25)Una carga eléctrica crea un campo eléctrico estático que se manifiesta, ante otra carga, como transferencia de momento entre ambas cargas, las que se atraen o repelen. Esta transferencia de momento es mediada a través de fotones virtuales, que son intercambiados entre las cargas, y no pueden directamente detectarse por ser su período de decaimiento coincidente con el lapso de incertidumbre.

(26) Con dos polos, positivo y negativo, separados por una ultra pequeñísima distancia. Su comportamiento es el de dos infinitesimales cargas eléctricas de signos opuestos unidas y confinadas dentro de un microespacio indivisible.

(27) Todas las partículas y subpartículas atómicas poseen espín. También, los cuantos de los distintos campos existentes poseen espín. El espín es una de las características de los elementos constitutivos de la materia.

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1.4 Interacción electromagnética

Una carga eléctrica en ausencia de otra carga(28) presenta su campo eléctrico coincidiendo con su campo potencial eléctrico. Este es el estado libre de toda carga, ya bien sea de un protón, electrón o núcleo ionizado. Pero, cuando las cargas eléctricas están organizadas en átomos, el campo eléctrico del electrón se sale del campo potencial, que es coincidente con la masa del electrón, y distorsionado se extiende en la dirección del núcleo, envolviéndolo. Otro tanto ocurre con el campo eléctrico del núcleo, aunque, en dirección del electrón. Esta interacción entre campos acelera al electrón en torno al núcleo. Si el electrón se ioniza su campo eléctrico se contrae volviendo a coincidir con su campo potencial.

(28) Una carga eléctrica solamente presenta campo eléctrico cuando está en presencia de otra carga eléctrica. Si las cargas están en reposo relativo o en movimiento rectilíneo uniforme relativo el campo es eléctrico-estático y si están en movimiento acelerado el campo es electromagnético-dinámico.

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1.5 Energía total del átomo

Los entes, con estructura atómica, mayormente complejos, con relación a las conformación de su energía total, son las moléculas ya que poseen las siguientes fuentes de energía mecánica:

- Energía cinética rotacional que resulta de la rotación de la molécula respecto a su propio eje.

- Energía cinética vibracional causada por la vibración del núcleo respecto a su posición de equilibrio.

- Energía potencial que es la energía de la posición, en el espacio, de sus electrones dentro de los orbitales.

- Energía cinética traslativa la cual es generada por el intercambio de energía debida a las colisiones entre moléculas.

La relación cuantitativa, entre estos tipos de energía de las moléculas, es:

Energía potencial > vibracional > traslativa > rotacional

El cambio en la energía rotacional está acompañado de una transición vibracional. A menudo son la fuente de bandas espectrales.

Las colisiones pueden influir fuertemente en el nivel rotacional, débilmente en el nivel vibracional y esparcidamente en todo el nivel potencial.

 

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1.6 Fuerza de los fotones sobre los átomos

Los fotones transportan un momento igual a h / l , o sea, constante de Planck / longitud de onda. Este momento se manifiesta por la fuerza que es ejercida por los fotones sobre los átomos.

Un fotón al ser absorbido por un átomo le imparte un momento angular + o - (29).

Durante los ciclos de emisión y absorción espontánea(30) el fotón, en promedio en cada ciclo, transfiere un momento al átomo igual al momento del fotón veces la rata de esparcimiento.

Mientras que todos los fotones absorbidos se propagaban en una misma dirección los fotones emitidos, de manera espontánea, lo son isotrópicamente, con una rata del orden de 100 millones de fotones por segundo.

(29) El signo depende de la orientación, abajo (-) o arriba (+), del espín.

(30) También, existe el ciclo emisión - absorción estimulada, mediante la acción del láser sobre los átomos.

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1.7 Estructura cuántica de los orbitales

El modelo de la mecánica cuántica describe las propiedades de cada orbital dentro de un átomo, mediante tres símbolos y uno secundario para determinar el espín de un electrón, dentro de un suborbital. De tal manera, que el conjunto, de esos cuatro símbolos, caracteriza un electrón y su estado en un átomo. Estos símbolos, llamados números cuánticos, son:

El primer símbolo cuántico es:

n = 1, 2, 3... Este es el número cuántico principal y describe el tamaño y energía de un orbital (31). El orbital n=1 corresponde al estado de energía más bajo de un átomo. Un orbital tendrá mayor energía cuanto mayor es su valor n.

La transición electrónica(32) ocurre cuando un electrón se mueve entre orbitales con valores n diferentes.

Para que un electrón pase de n=1 a un n>1 o, en general, pase a cualquier n final > n inicial se requiere que el átomo absorba la energía de un fotón real igual a la diferencia de energía entre n final y n inicial. En el caso contrario, cuando un electrón pasa a n = 1 o desde n inicial < n final el átomo emite un fotón real con una energía igual a la diferencia de energía entre los orbitales n inicial y n final. Estas relaciones se expresan en la ecuación siguiente:

Energía final - Energía inicial (33) = h x C / l

Un átomo se encuentra en estado descargado cuando sus electrones ocupan orbitales de energía mínima. Y el átomo está excitado cuando por lo menos uno de sus electrones ocupa un orbital desde el cual puede decaer a otro orbital de energía menor.

El segundo símbolo cuántico es:

l = s,p,d,f... Este número llamado Azimuthal o subsidiario describe la forma de cada uno de los suborbitales pertenecientes a un orbital. Es decir, un orbital puede tener más de una nube de probabilidad, donde pueden encontrarse los electrones. Todas esas nubes tienen cercanamente el nivel de energía del orbital, siendo mínimo para s.

El tercer símbolo cuántico es:

mL = -l, -l+1 ... l Este es el número cuántico magnético que define la orientación de un suborbital en el espacio. Expresa cambios en la orientación en el espacio de las nubes de probabilidad, donde pueden encontrarse los electrones. Este es un número entero.

El cuarto símbolo cuántico es:

ms = arriba (+½), bajo (-½) Este valor determina la orientación arriba o abajo del eje del espín del electrón, dentro de una nube de probabilidad, en una determinada dirección del continuo espacial 3-D (34).

El número cuántico n determina los valores del número l, ya que l puede tomar n valores distintos, numerados desde 0 hasta n-1, de acuerdo con las convenciones l=0=s, l=1=p, l=2=d, etc. Asimismo l determina los valores que puede tomar mL, los que son enteros, con incrementos ±1, entre €“l y +l, o sea, 2l+1 valores.

l define la forma de una nube, junto con n, que define su tamaño y mL que define su orientación.

Dos electrones no pueden tener, en el mismo átomo, los cuatro números cuánticos iguales, debido al principio de exclusión de Pauli.

El hecho que puede existir múltiples orbitales con el mismo número n ocasiona que existan niveles de igual energía. Estos niveles son conocidos como capas y son representados por las letras K, L, M, N, O etc. Capas distintas determinan niveles de energía significativamente diferentes.

Las capas K, L, M cubren los primeros 18 elementos de la tabla periódica.

En la tabla 1 se presenta un esquema de la estructura de los orbitales.

Tabla 1. Esquema de la estructura cuántica de los electrones en el átomo

Nivel Orbital Número máximo posible de electrones

n l mL ms (35) En el suborbital En el orbital

K

1

s

0

2

2

2

L

2

s

0

2

2

8

 

2

p

-1,0,1

2

6

 

M

3

s

0

2

2

18

 

3

p

-1,0,1

2

6

 
 

3

d

-2,-1,0,1,2

2

10

 

N

4

s

0

2

2

32

 

4

p

-1,0,1

2

6

 
 

4

d

-2,-1,0,1,2

2

10

 
 

4

e

-3,-2,-1,0,1,2,3

2

14

 

Los suborbitales s, p, d, f, etc. dentro de cada orbital tienen energías muy próximas, debido a lo cual se les considera de igual energía, no obstante, la energía crece entre s y f.

Para el valor de l=0=s existe sólo una nube, para l=1=p existen 3 formas de nubes, para l=2=d existen 5 formas de nubes, para l=3=e existen 7 formas de nubes, etc. Es decir, para l existen 2l+1 formas de nubes.

Una nube puede contener hasta 2 electrones, uno con el eje de su espín hacia arriba y el otro hacia abajo.

El número total de electrones que puede tener un orbital es 2(2l+1)

Un orbital, l, puede presentar diferentes alternativas de energía, por ejemplo, en el isótopo 87, del átomo de Rubidio, la división del orbital p en los subniveles de energía j=1/2 y j=3/2 correspondientes a subdivisiones de energía muy pequeñas, propias de la estructura fina de los orbitales. Una ulterior división de la energía de la estructura fina del orbital es producida por su subdivisión en los valores F, esta subdivisión corresponde a la estructura hiperfina de un orbital.

Las divisiones de las estructuras fina e hiperfina no agregan capacidad de almacenamiento de electrones dentro de un orbital, que sigue determinada por los cuatro número cuánticos n, l, mL y ms. Pero, en cambio posibilita un mayor número de estados de energía para los electrones que ocupan los suborbitales.

(31) Para el átomo de hidrógeno la energía de un nivel con número cuántico n ig ual a €“R hC / n. R es la constante de Ryberg, igual a 1.092 x 10 cm.

(32) También, existe transición del electrón cuando pasa entre los subniveles de energía de un mismo orbital, aunque, son transiciones con muy pequeña diferencia de energía.

(33) En el átomo de hidrógeno, la diferencia de energía entre n=2 y n=1 es de 1 electrovoltio.

(34) 3-D define tres dimensiones, que se representan por x,y,z.

(35) Existen dos orientaciones: arriba (alta energía) y abajo (baja energía) del espín del electrón.

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1.8 Estructuras fina e hiperfina dentro de los orbitales

En el átomo existen varios momentos angulares(36) debido a los movimientos de sus partículas componentes. Tales momentos angulares son los del electrón, tanto el de su movimiento orbital como el de su espín. Y el momento angular del núcleo, para los átomos magnéticamente activos. Estos momentos angulares generan momentos magnéticos que interactúan con cada otro.

En el núcleo, los protones y neutrones, tienen cada uno momento angular debido a su respectivo espín. Los momentos, de estas partículas, generan el momento total del núcleo, denominado I.

Si el número de protones es par y el de neutrones es par entonces el momento angular total del núcleo es cero. Pero, si el número de los protones es impar o lo es el de los neutrones entonces el núcleo tiene momento angular y el átomo es activo magnéticamente.

El momento angular total del núcleo, de estos átomos activos(37), está acoplado en la propiedad magnética del núcleo, conocida como el momento magnético del núcleo.

El espín de cada protón o neutrón del núcleo, actúa como una barra magnética dipolar(38), la cual produce un pequeñísimo campo magnético(39), que se combina con el campo magnético de cada otro y forma el campo magnético total del núcleo.

La razón entre los momentos totales, angular y magnético, del núcleo es el radio giromagnético del núcleo, que es específico de cada núcleo magnéticamente activo.

Los electrones(40) tienen momento angular orbital por su translación en torno del núcleo y, adicionalmente, momento angular de su espín. Estos momentos angulares están acoplados en las propiedades magnéticas(41) del electrón.

Los momentos magnéticos totales del núcleo y del electrón se acoplan en el momento magnético total del átomo.

En general, los momentos magnéticos de las partículas componentes del átomo son debidos a los movimientos, de traslación o giro, de cargas eléctricas(42). La diferencia entre la intensidad de estos momentos magnéticos es la de su diferente radio giromagnético(43).

(36) Un momento angular es el vector masa veces velocidad veces radio que tiene magnitud y dirección.

(37) Los núcleos atómicos son activos magnéticamente cuando tienen momento angular total. Los núcleos del hidrogeno, carbón, flúor, fósforo y sodio son activos magnéticamente.

(38) Con polos Norte y Sur.

(39) También, tiene magnitud y dirección orientada igual como el momento angular.

(40) También, los muones para los átomos muónicos.

(41) El electrón y muones se comportan como pequeñísimas barras magnéticas dipolares igual que los protones y neutrones, debido a su espín. Además, para los electrones y muones existe el efecto de su movimiento orbital.

(42) Negativa del electrón y muón. Positiva del protón. El neutrón, que es un protón acoplado a un electrón, también, presenta propiedad eléctrica al rotar.

(43) Según la electrodinámica cuántica los radios giromagnéticos, de los momentos magnéticos, son: 1 para el orbital y 2.0023 para el espín del electrón.

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1.9 Estructura fina

La interacción magnética del electrón consigo mismo, o sea, entre los momentos magnéticos orbital y del espín del electrón, da lugar a la división fina de la energía de los suborbitales de los átomos. Esta división fina es observable mediante espectroscopia de altísima resolución.

Tal interacción da lugar a un momento magnético total del electrón, en cada uno de los suborbitales, que es la combinación vectorial, llamada acoplamiento L-S, de los momentos magnéticos(44) orbital y del espín del electrón(45). El momento magnético total del electrón, dentro de un suborbital, se denomina J.

La diferencia de energía entre dos niveles de energía contiguos de la estructura fina es, aproximadamente, una millonésima parte de la diferencia de energía que existe entre dos números cuánticos n contiguos.

Todos los átomos poseen la estructura fina que, de acuerdo con la estructura cuántica del átomo, se representa mediante el número cuántico auxiliar j, usado para definir cada subnivel de energía, dentro de un suborbital.

Este número j se hace corresponder al momento magnético total J del electrón, y se obtiene sumando los número cuánticos l, del respectivo suborbital, y ms del espín del electrón que interviene en la generación del momento magnético J en cuestión.

Por ejemplo, el efecto de la estructura fina en el isótopo 87, del átomo de Rubidio (46), divide su número cuántico 5, suborbital p, en los subniveles de energía: 5 p 1/2 y 5 p 3/2.

Si un átomo no presenta estructura hiperfina el tercer número cuántico mL, define, dentro de cada subnivel de energía, de la estructura fina, su orientación en el 3-D.

(44) Los momentos orbital y del espín son antiparalelos, cuantizados y, solo, puede a la vez determinarse su magnitud y su componente z, del 3-D.

(45)El momento magnético es igual al inverso aditivo del momento angular veces el radio giromagnético veces el magnetón de Bohr dividido entre la constante de Planck. El magnetón es la unidad para medir la intensidad del campo magnético igual a 9,274 por 10 a la menos 24 amperémetros.

(46) El átomo de Rubidio presenta los hisótopos 85 y 87.

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1.10 La constante de la estructura fina

La fuerza inherente de la fuerza electromagnética asociada al electrón está caracterizada por el valor de un parámetro llamado la constante de la estructura fina del átomo. La cual es denotada por a e igual a:

carga del electrón elevado a la 2 / h x C

El valor de a determina lo apretados que están los átomos, dentro de una estructura substancial, y las longitudes de ondas electromagnéticas que pueden los átomos emitir.

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1.11 Estructura hiperfina

La interacción, entre los momentos magnéticos totales del electrón y del núcleo, produce la división superfina de la estructura fina, que es definida mediante el símbolo cuántico auxiliar F, el cual numera los subniveles de energía, dentro de cada suborbital. El número de subniveles de energía los determina el momento magnético total del suborbital. Cada subnivel a su vez puede presentar un número determinado de orientaciones definidas por el tercer número cuántico mL. Cuando el átomo solamente tiene estructura fina mL numera las distintas orientaciones de cada uno de los suborbitales pertenecientes a esta estructura.

El campo magnético total del electrón se acopla al momento total del núcleo y orienta el espín del núcleo, en una determinada dirección en el 3-D. Este acoplamiento se llama J-I y el momento angular total resultante F, el cual está cuantizado y puede tomar valores J+I, J+I-1, ... ,J-I.

Así pueden existir (2J+1) o (2I+1) niveles hiperfinos de energía, dependiendo si J>I o I>J.

La diferencia de energía entre dos niveles contiguos de la estructura hiperfina es, aproximadamente, una milésima(47) parte de la diferencia de energía que existe entre niveles consecutivos de la estructura fina.

Sólo los átomos, con núcleos magnéticos activos, poseen la estructura hiperfina que, de acuerdo con la estructura cuántica del átomo, se representa por los subniveles de energía F, que especifican las divisiones del número cuántico del momento magnético, mL, dentro de la estructura hiperfina. El número de subniveles de energía de la estructura hiperfina, es definido por F, y es igual a la suma de j + I. El valor de I depende del espín del núcleo y es un múltiplo de ½, entre 0 y 15/2. Por ejemplo, en el isótopo 87 del átomo de Rubidio en el orbital 5 p3/2, presenta una división hiperfina en los subniveles de energía F=0,1,2,3. Cada subnivel de energía F, a su vez, presenta mL orientaciones en el espacio.

(47) El momento magnético del núcleo se diferencia del momento magnético del electrón en el radio giromagnético y en el magnetón, llamado nuclear magnetón. La razón entre el Bohr magnetón y el nuclear magnetón es 1/1836, es decir, la razón entre las masas del electrón y el protón.

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1.12 Efecto Zeeman

Cuando los átomos se encuentran bajo el efecto de un campo magnético externo débil la división de la energía de la estructura fina se hace más fuerte, igual sucede con la subdivisión de la energía de la estructura hiperfina. Este efecto es conocido como Zeeman, y es usado en diversos experimentos de física atómica, para estimular estas estructuras y así manipular los estados cuánticos de los átomos.

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1.13 La evolución del electrón dentro de los orbitales

La energía hamiltoniana de un electrón dentro de un orbital, definido por el número cuántico n, es casi la misma, pero, con ligeras variaciones en sus energías potencial y cinética como consecuencia de su tránsito dentro de las divisiones propias del orbital en las estructuras fina, con diferencias de apenas millonésimas partes, e hiperfina, con diferencias de sólo mil millonésimas partes.

El paso del electrón entre dos niveles de energía produce radiación electromagnética, siempre que el electrón pase de un nivel de mayor energía potencial a otro menor. También, dentro de los subniveles de energía de la estructura fina o de la hiperfina.

Si, por el contrario, el electrón va de un nivel o subnivel de menor energía potencial a otro mayor debe tomar la energía de un fotón incidente, dentro del rango de la diferencia de energía entre los potenciales inicial y final o para las transiciones, dentro de la estructura hiperfina, por encima del rango de la diferencia de energía entre los potenciales inicial y final de los subniveles de esa estructura.

No obstante, que el electrón puede hacer paso entre cualquiera de las combinaciones de tránsito posibles, dentro de los diferentes niveles y subniveles de energía, sólo ciertas transiciones producen efectos medibles. Por ejemplo, en el isótopo 87, del átomo de Rubidio la transición hiperfina 5 p3/2 3 a 5 s1/2 2 produce radiación electromagnética detectable. No así, la transición 5 p3/2 3 a 5 p1/2 2.

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1.14 Las transiciones orbitales de los electrones y los tipos de radiación

Las transiciones de los electrones pueden ocurrir entre estados de orbitales de diferente número cuántico o al interior de un mismo orbital.

Estas transiciones pueden realizarse en el sentido en el cual un electrón pasa de un estado dentro de un orbital más cercano al núcleo a otro más lejano o en el sentido contrario en el cual un electrón pasa de un estado dentro de un orbital más lejano al núcleo a otro más cercano. En todo caso, la diferencia de energía entre el estado de origen del electrón y el estado final, al cual pasa es el factor que determina, en el proceso de emisión, la longitud de la onda que se radia. Y en un proceso de absorción la energía del fotón incidente sobre el átomo, que se consume.

De tal manera, lo que ocurre esencialmente en una transición electrónica es el intercambio de energía electromagnética(48) en potencial.

La energía potencial disminuye en el proceso de emisión o aumenta durante el proceso de absorción.

Las transiciones del electrón entre diferentes orbitales pueden ser entre las más comunes:

- Lyman, desde cualquier orbital con n>1 al orbital n=1

- Balmer, desde cualquier orbital con n>2 al orbital n=2

- Paschen, desde cualquier orbital con n>3 al orbital n=3

Todas las transiciones del electrón, que ocurren en el proceso de emisión, generan ondas de la misma naturaleza en cuanto son diferentes tipos de ondas electromagnéticas, que difieren tan sólo en longitud y frecuencia. La longitud varia entre cientos de metros, de las ondas de radio, hasta próximas a la longitud del núcleo de un átomo, de los rayos X.

El número posible de capas y orbitales para un determinado tipo de átomo es independiente del número de sus electrones. Así el átomo de hidrógeno, con su único electrón, puede producir o absorber radiación electromagnética de diferentes tipos.

En la Tabla 2 se presenta una guía acerca de la asociación existente entre la transición electrónica y la radiación electromagnética.

Tabla 2. Tipo de radiación electromagnética según el tipo de transición

Tipo de radiación Tipo de transición

electromagnética electrónica

Ultravioleta

Paso de un electrón externo a un orbital interno

Luz

Paso de un electrón dentro de los orbitales externos o dentro de los orbitales internos

Cerca del infrarrojo

Paso de un electrón dentro de los orbitales más externos o Vibración molecular

Infrarrojo

Vibraciones moleculares

Microondas

Paso de un electrón dentro de la estructura fina*

Ondas de radio

Paso de un electrón dentro de la estructura hiperfina*

* Para niveles de energía del átomo afectados por un campo magnético externo débil.

(48) El autor observa que en el proceso de emisión la disminución de la energía potencial del electrón directamente reaparece como energía cinética del electromagnetismo, bien sea considerado como ente cuántico (fotón), o como ente ondulatorio (onda). Como fotón posee energía cinética debido a la velocidad de su movimiento curvilineo. Como onda posee energía cinética debida a su frecuencia o velocidad de la oscilación. De allí que se diga que la energía del fotón es la de su movimiento y que es directamente proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética. En estos términos, la energía electromagnética es esencialmente ¡energía cinética¡.

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1.15 Transiciones D1 y D2

Son transiciones hiperfinas que dan lugar a emisión de ondas de radio. Así la transición D1 corresponde a una diferencia de energía que expresada en frecuencia corresponde a longitudes de onda del orden de los 794.7 nanómetros(49) y, por su parte, la transición D2 a las frecuencias de longitud de onda por el lado de los 780.7 nanómetros.

Para el isótopo 87, del átomo de Rubidio, la transición D1 produce radiación medible cuando ocurre por el paso de un electrón entre, por ejemplo:

De 5 p1/2 1 a 5 s1/2 1

De 5 p1/2 2 a 5 s1/2 1

De 5 p1/2 1 a 5 s1/2 2

De 5 p1/2 2 a 5 s1/2 2

Para el isótopo 87, del átomo de Rubidio, la transición D2 produce radiación medible cuando ocurre por el paso de un electrón entre, por ejemplo:

De 5 p3/2 0 a 5 s1/2 1

De 5 p3/2 1 a 5 s1/2 1

De 5 p3/2 1 a 5 s1/2 2

Como puede observarse los anteriores estados, que pueden generar las transiciones D1 o D2, representan energías tan próximas que la subdivisión hiperfina no juega aquí ningún papel, en cuanto produzca una diferencia de energía significativa en la onda radiada. Pero, dicha subdivisión hiperfina es esencial para que procesos de absorción - emisión puedan ocurrir no resonantemente y puedan manipularse los electrones colocándolos, dentro de un determinado estado cuántico de una población atómica, fundamento de la técnica de bombeo óptico, que se lleva a cabo mediante aplicaciones del láser.

(49) Nano es 1 por 10 a la menos 9, es decir, una milésima de una millonésima. Por otra parte, téngase en cuenta que la diferencia de energía es igual a hC / l , por lo tanto, no interpretar las frecuencias D1,D2 como las longitudes de la onda radiada cuando tales transiciones ocurren.

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Capítulo 2. La onda electromagnética

2.1 Qué es la onda electromagnética? *

2.2 Polarización *

2.3 Anatomía de la onda electromagnética *

2.4 Comportamiento de las ondas *

2.5 El transporte de energía *

2.6 Espectro electromagnético *

2.7 Propiedades de las líneas espectrales *

2.8 Algunas propiedades relevantes de los tipos de ondas electromagnéticas *

Si bien, es el átomo la base de la producción del láser y éste el fundamento para el logro de velocidades superluminales, también es cierto que, es la onda electromagnética la que se emplea para producirlas, acelerando su velocidad, mediante efectos creados con el láser, por encima de la que tiene en el vacío.

La onda electromagnética es junto con la gravedad, aunque, mucho más conocida, que ésta los dos fenómenos del campo cuya naturaleza la ciencia no ha logrado plenamente establecer. La gran dificultad que reviste la plena comprensión de la onda electromagnética radica en si es o no la vibración de un medio. Esta última idea ha sido reintroducida con la teoría cuántica que plantea el vacío repleto de campos(50), siendo el vacío el medio en el cual la onda electromagnética se origina y a través del cual se propaga.

Aquí se estudia el fenómeno electromagnético desconociendo ese gran problema. Se asume la hipótesis que la onda electromagnética es la vibración del acople entre los campos eléctrico y magnético, inducido por la vibración de una carga eléctrica en el vacío. Tales campos los crea la carga con su movimiento de traslación y si, adicionalmente, la carga oscila induce la generación de la onda electromagnética, que se propaga en todas las direcciones, en el espacio en el cual se expande el campo electromagnético, propagándose en el vacío, en cuanto el electromagnetismo llena el vacío, hasta los límites del continuo 4-D(51), que llega a alcanzar dependiendo de su intensidad, es decir, del flujo de energía por un punto del espacio en una unidad de tiempo.

Las actuales tecnologías superluminales, aprovechan el comportamiento de la onda electromagnética relativo al efecto de la refracción, que consiste en los cambios de frecuencia y del vector de la velocidad de la onda cuando pasa de un medio a otro.

De tal manera, en este capítulo, desde la teoría cuántica, se desarrolla el tema relativo a la onda electromagnética, orientándolo a su aplicación en el logro de velocidades superluminales.

(50) Y los campos constituídos por cuantos de energía. Con éstas bases el autor hace formulaciones sobre la onda electromagnética considerándola como la perturbación de una estructura de energía, que sería la propia energía electromagnética, constituída por fotones.

(51) Continuo x,y,z,t

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2.1 Qué es la onda electromagnética?

Una onda(52), en general, es la propagación de una perturbación, provocada por un agente externo, en la estructura de un ente, debida al cambio en el estado natural de movimiento de sus elementos constitutivos, más allá del patrón de movimiento, que es propio de la estructura del ente.

La propagación de la perturbación ocurre a través del ente y puede que también de su entorno. Por tanto, las ondas como fenómeno de propagación de la perturbación estructural de un medio transportan energía(53). Pero, la teoría actual sobre las ondas electromagnéticas las considera vacías, es decir, como no serían propiamente la perturbación estructural de un medio no transportarían energía del medio, otra cosa es si el vacío, como lo sostiene la teoría cuántica esta repleto de campos, entonces deberían transportar energía de la propia perturbación. En todo caso, las manifestaciones de las ondas electromagnéticas son análogas a las de las ondas que transportan energía del medio en que se propagan.

La concepción cuántica que cuenta con la favorabilidad de las pruebas realizadas, de acuerdo con el estado actual de la tecnología, es la concepción conocida como de Copenhague, según la cual la energía que las ondas electromagnéticas transportan son los paquetes de energía viajeros dentro de un medio o sea los fotones reales que componen la onda que sería una onda de probabilidad y no una onda real como lo ha sostenido la escuela llamada realista.

En los entes compuestos por estructuras átomicas(54) las ondas, llamadas ondas mecánicas, son generadas por la alteración del movimiento de sus partículas, de acuerdo con el movimiento de éstas, dentro del patrón propio de su estructura.

Con base en la teoría cinética de la materia, las partículas componentes de la estructura de los entes substanciales, están animadas de constante movimiento, y su velocidad es directamente proporcional a la temperatura del ente, aunque, en todo instante conservando la entidad del ente, haciendo que aparezca siempre igual. Sin embargo, pueden ocurrir vibraciones anómalas(55), horizontales, verticales o en cualquier dirección de sus moléculas, átomos o iones constitutivos, que se transmiten en todas las direcciones del ente e incluso pueden llegar a sobrepasarlo, transmitiéndose al entorno(56). Tales vibraciones anómalas provienen de agentes externos que las causan. Por ejemplo, por móviles viajando a través de un ente, así el movimiento de los aviones a través del aire, de los buques en el mar(57), un objeto hundiéndose en el agua. O cualquier agente que sea capaz de provocar una alteración de la estructura de un ente, como por ejemplo, las vibrantes cuerdas vocales o las de un instrumento musical; una esfera pulsante e incluso por las moléculas, átomos o iones de cualquier tipo de agente capaz de provocar vibraciones, dentro de un patrón diferente al de la estructura del ente que sufre la perturbación. O por la acción significativa de cualquier fuente importante de energía(58) sobre la estructura de un ente.

En el caso de las ondas electromagnéticas(59) son creadas por la vibración de una carga eléctrica en el vacío y se propagan en el vacío(60), a diferencia de las ondas de tipo mecánico(61) que como el sonido requieren de un medio substancial.

La vibración de una carga eléctrica crea una onda(62) que consiste en la vibración de los componentes eléctrico y magnético del campo existente en torno a las cargas eléctricas o cuerpos magnéticos, en estado de movimiento no rectilíneo uniforme.

Toda carga eléctrica, en presencia de otra carga, está acoplada a un campo eléctrico estático y todo cuerpo magnético en presencia de otro cuerpo magnético está acoplado a un campo magnético estático.

Los campos eléctrico y magnético estáticos se extienden hacia el infinito en todas las direcciones del continuo 3-D, envolviéndose en torno a su fuente generadora, y disminuyendo su intensidad en proporción inversa con su distancia respecto de la fuente.

Tanto la electricidad como el magnetismo pueden existir independientemente uno de otro, siempre en la forma de estados estáticos.

Cuando la carga eléctrica está en movimiento acelerado, adicionalmente crea en su entorno un campo magnético y el cuerpo magnético en movimiento acelerado también crea en su entorno un campo eléctrico(63). De tal manera, las cargas eléctricas y los cuerpos magnéticos en movimiento están siempre rodeados por los campos eléctrico y magnético, que siempre están juntos y vibrantes si la carga eléctrica vibra(64), dentro de su acoplamiento ortogonal (65).

Por lo tanto, una onda electromagnética es la oscilación de un campo electromagnético(66). Y, aunque, la onda electromagnética se expande en todas las direcciones del continuo 3-D, siempre la dirección de la onda electromagnética es perpendicular al acoplamiento ortogonal de los campos eléctrico y magnético en esa dirección.

La actual imagen que se tiene de la onda electromagnética es la de que la vibración de la carga eléctrica pone en oscilación el acople de los campos eléctrico y magnético, a la manera como se hace oscilar una cuerda, con su extremos cerrados. Esta oscilación electromagnética ocurre en el mismo plano en que se mueve la onda. Por otra parte, la dirección de la onda electromagnética es la misma de la energía(67) que transporta.

En el campo electromagnético se deben distinguir:

- Las líneas de fuerza las cuales parecen producidas sobre una cuerda cerrada en un extremo y abierta en su otro extremo, moviéndose a lo largo de rayos y alargándose transversalmente. Estas líneas tienen la forma de bucles.

- Tangente en cada punto de las líneas de fuerza están las líneas que representan la dirección e intensidad de las líneas de fuerza.

- La onda sinosidual, similar a las líneas de fuerza, progresivamente se debilita con su distancia respecto de la fuente.

(52) La definición corriente de una onda es que es una perturbación repetida y periódica que se mueve a través de un medio desde una localización a otra. En sentido amplio es la propagación de una perturbación.

(53) La energía, de acuerdo con su definición clásica, es la capacidad que posee un ente de realizar un trabajo, entendiendo por éste la aplicación de una fuerza dentro de un trayecto. Esta noción indujo a comprender la energía como fenómeno no material.

(54) O sea, compuestos por moléculas, átomos,iones y, aún subpartículas. Estos entes pertenecen al fenómeno material conocido como substancia, que apareció durante el proceso de la generación del Universo cuando éste se enfrío.

(55) Cuando la vibraciones son máximas pueden llegar a romper la estructura, rompiendo al propio ente.

(56) Una onda provocada en un barra metálica colocada en el vacío no pasa al entorno. Las ondas del mar se reflejan casi totalmente en los acantilados.

(57) Las ondas acuáticas, generadas por las hélices de los barcos, son especialmente complejas.

(58) La energía constituye el fenómeno primigenio de la existencia material. En los primeros instantes del Big-bang, a temperaturas extraordinariamente altas solamente existió energía.

(59) Ondas que no son vibración de la substancia sino de acuerdo con el autor serían vibración de la energía.

(60) En la teoría cuántica el vacío esta repleto por energía y la energía posee composición cuántica.

(61) Las ondas mecánicas sólo se propagan a través de la substancia, es decir, de entes estructurados atómicamente.

(62) Una onda electromagnética es un campo eléctrico en conjunción con un campo magnético, oscilando con la misma frecuencia.

(63) La carga eléctrica en movimiento posee el comportamiento dual eléctrico-magnético. Por su parte, el cuerpo magnético en movimiento adquiere el comportamiento dual eléctrico-magnético.

(64) Anteriormente se había dicho que el simple movimiento de una carga eléctrica o de un cuerpo magnético producía la vibración del acople de los campos eléctrico y magnético.

(65) El acoplamiento ortogonal de los campos eléctrico y magnético consiste en que uno y otro son siempre perpendiculares. Este acoplamiento ocurre en todas las direcciones en que dichos campos se extienden.

(66) Una onda electromagnética, a diferencia de las ondas mecánicas, en la actual teoría electromagnética son ondas vacías, o sea, que no transportan energía del medio en que se propagan. Sin embargo, el autor considera, con la reintroducción del "éter", en la teoría cuántica, que la onda electromagnética puede ser la propagación de la perturbación de una estructura de energía: la electromagnética. También, el autor ha planteado que los cuantos de energía de los campos electromagnético y gravitatorio se mueven con una velocidad directamente proporcional a la temperatura como ocurre con las partículas. De tal manera, existen velocidades superluminales, en la gravedad y máxima en la supergravedad, ya que provienen de temperaturas mucho más elevadas a aquella donde se originó el electromagnetismo. En la actualidad desarrolla la teoría holística de la materia.

(67) El autor considera como una importante característica de las ondas del campo electromagnético, también, de las ondas del campo gravitatorio el de que pueden ser perturbaciones de la energía electromagnética y gravitatoria que transportan energía del medio. Mientras que las ondas de la substancia son perturbaciones substanciales que transportan energía del medio. La diferencia entre la substancia y el campo, en las formas electromagnética y gravitatoria, es que las partículas poseen masa intrínseca mientras los cuantos de la energía no. En la gravedad esta condición natural de la energía permite la velocidad superluminal de los gravitones (Contribución del doctor Carlos Lemoine a la Teoría Holística de la materia del Autor).

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2.2 Polarización

Los fotones en tránsito al interactuar con los átomos manifiestan uno de los dos valores(68) de su espín. Los fotones, constitutivos de un rayo de luz, tienen polarizado su espín, cuando presentan propensión respecto a uno de esos dos valores del espín.

Por su parte, la polarización del fotón es similar al de las partículas. El campo eléctrico y el campo magnético oscilan transversalmente, en el plano normal a la dirección del movimiento del fotón y perpendicularmente a cada otro. Esta oscilación puede rotar a la manera de un molino de viento. Es decir, la oscilación puede expandirse en todas las direcciones debido a los planos innumerables que existen al rotar el campo eléctrico alrededor de su eje. Luego, una onda puede oscilar en un plano arriba - abajo, izquierda - derecha o en cualquier ángulo. Pero, siempre la oscilación, respecto de una dirección determinada, se concentra sobre la dirección del movimiento del fotón.

Por lo que se dice que el fotón está polarizado según una determinada dirección del campo eléctrico(69).

La luz blanca es una mezcla de ondas que oscilan en todas las posibles ángulos. Por tanto, un rayo de luz ordinaria mezcla fotones con todas las diferentes polarizaciones posibles juntas. Pero ciertas substancias, como el cristal de calcio o una hoja de Polaroid, solamente permiten el paso de los fotones cuyo campo eléctrico oscila según una determinada dirección. Por supuesto, cuando la luz atraviesa una de estas substancias es polarizada, porque todos los fotones tienen su campo eléctrico alineado, según la única dirección que la substancia polarizante permite. La polarización puede ser lineal, horizontal, vertical, circular, elíptica y aleatoria.

Debido a que el rayo, incidente sobre la substancia polarizante, presenta polarizaciones distribuidas uniformemente sobre todas las direcciones, solamente una porción pequeña del rayo logra atravesarla(70).

Se debe distinguir entre la polarización del fotón y la de su espín que, aunque, íntimamente relacionadas no son lo mismo. Mientras, que el eje del espín siempre es paralelo a la dirección del movimiento del fotón, la dirección del eje de la polarización de la onda de luz siempre es perpendicular a la dirección de viaje de la onda.

(68) Hacia adelante o hacia átras paralelamente a la dirección del fotón.

(69) El fotón, como onda electromagnética, presenta el vector del campo eléctrico orientado en todas las direcciones. Sin embargo, en el caso de la luz polarizada el vector del campo eléctrico está oscilando en sólo una dirección. También, puede que el vector del campo rote alrededor del eje de propagación de la luz. Dependiendo del sentido en que ocurre la rotación la luz puede estar polarizada circularmente a la derecha o a la izquierda.

(70) Sin embargo, la hoja Polaroid parte el rayo de luz incidente en dos como si estuviera previamente polarizado sólo en dos direcciones, perpendiculares entre sí, fenómeno aún sin explicación.

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2.3 Anatomía de la onda electromagnética

La onda electromagnética es un tipo de onda transversal (71), debido a que su dirección es perpendicular a la del campo electromagnético. Por esa razón presenta ondulaciones sinosiduales, es decir, con crestas y valles.

Si representamos el continuo 3-D, en un sistema de coordenadas cartesiano x, y, z tendremos que en el plano xy estará el campo eléctrico, en el plano xz estará el campo magnético y la onda electromagnética en el continuo 4-D t,x,y,z en la dirección x. Pero si 3-D rota la onda electromagnética se propaga en todas las direcciones. Tradicionalmente en la onda sólo se representa el componente eléctrico debido a que el componente magnético esencialmente es el mismo que el eléctrico. Y la onda electromagnética se representa en el plano xy en la dirección x.

Debido a que el plano de la onda electromagnética coincide con el de la dirección de su movimiento carece de la altura de algunas tipos de ondas transversales como sucede con las ondas mecánicas en el mar.

A cambio de altura posee amplitud, la cual decrece linealmente en función(72) de la distancia medida desde la fuente.

La amplitud(73) es la distancia entre el eje de acoplamiento de los campos eléctrico y magnético y el máximo o mínimo desplazamiento respecto al eje, que alcanza durante su vibración.

La longitud de la onda electromagnética es la longitud de uno de sus ciclos completo, generalmente definido, como la longitud entre dos crestas o dos valles consecutivos(74).

(71) Otro tipo de ondas son las longitudinales como es el caso de las ondas del mar, donde la dirección de la oscilación es la misma dirección de la onda.

(72) Esto es válido para montos considerables de luz, no así para pocos fotones.

(73) En las ondas de la substancia la amplitud es la distancia entre la posición de reposo, o equilibrio, y el máximo desplazamiento, que llegan a alcanzar las partículas.

(74) En las ondas de la substancia la longitud de la onda, también, es la distancia entre dos ciclos consecutivos. En las ondas longitudinales la distancia de una comprensión a la próxima. Y en las ondas transversales la distancia entre una cresta y la próxima.

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2.4 Comportamiento de las ondas

Las ondas electromagnéticas, como en general toda onda, presentan varios tipos de comportamientos relativos al movimiento que puede tener la fuente que las produce y a su propagación más allá del ente donde se originan.

2.4.1 El efecto doppler

Cuando la carga eléctrica vibrante se encuentra en reposo alcanza a todos los observadores con la misma frecuencia, conque se produce en su origen. Pero, la carga eléctrica puede que adicionalmente a vibrar se mueva con relación a la dirección de la onda, bien en el mismo sentido o en contra.

Esto produce para un observador, considerado en reposo(75), el llamado efecto doppler; no obstante, que la fuente mantiene la frecuencia de emisión de la onda, el observador la registra mayor, cuando la fuente emisora viaja a su encuentro, y menor, cuando la fuente emisora se aleja del observador.

El cambio aparente de la frecuencia de la onda es consecuencia del cambio en la distancia entre la fuente que origina la onda y el observador que la registra.

De acuerdo a la posición relativa del observador respecto a la carga eléctrica puede que el número real de ciclos se altere y le llegue un mayor número de ciclos por segundo si existe un movimiento neto de acercamiento o, un número menor de ciclos por segundo, si en cambio se alejan.

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2.4.2 Reflexión, refracción y difracción

Debido a que las ondas son la propagación de la perturbación de la estructura de un ente, en la onda se producen varios cambios en el límite exacto de su paso a una estructura con una densidad distinta, por ejemplo, a la del entorno.

Cuando la onda pasa a un medio de distinta densidad(76) se pueden producir los siguientes efectos(77), todos asociados con el curvamiento de la trayectoria de la onda:

- Refracción, que es el cambio en la dirección de la onda, siempre acompañado del cambio de longitud y velocidad de la onda. La refracción es la causa de que los prismas puedan separar un rayo de luz incidente en sus longitudes de onda constitutivas.

- Reflexión(78), el cual es la convergencia de las ondas en un punto focal al chocar contra la barrera, que existe en el límite coincidente con el cambio de densidad y devolverse dentro del primer medio de propagación. Durante la reflexión se produce el fenómeno de interferencia de ondas de la misma longitud, de acuerdo con la suma algebraica de sus patrones.

Si las ondas, original y reflejada, se encuentran en fase, es decir, sus crestas coinciden, las ondas se refuerzan. Pero, si están 180 grados fuera de fase, las crestas de una coinciden con los valles de la otra, y las ondas se anulan.

- Difracción, que es el curvamiento de la onda a causa de bordear obstáculos y hendiduras; el monto de la difracción es directamente proporcional a la longitud de la onda.

El curvamiento de la luz puede llegar a ser tan extremo que es la causa de los espejismos extremos, tales como el del no ocultamiento del Sol en el momento límite en que debe ocurrir para un determinado lugar, o que el Sol se vea como columnas de fuego.

(75) Debido a la naturaleza relativa del movimiento siempre se podrá tomar al observador en reposo, referiendo el estado de la fuente generadora de la onda al sistema de referencia del observador.

(76) Los efectos sufridos por la onda electromagnética, al cambiar la densidad del medio en que se propaga, se han restringido a su interacción con las estructuras atómicas, moleculares o ionizadas. El autor y el físico estadoudinense Tom Van Flandern consideran que tales efectos por cambio de densidad, también, ocurren cuando se pasa a un medio subordinado a un campo de gravedad de una fuente extraordinariamente masiva como el Sol. Esto sería la verdadera causa del efecto Einstein de curvamiento de la luz al pasar muy cerca del Sol.

(77) Estos efectos son observables para ondas en 3-D, como las electromagnéticas, o en 2-D, como las ondas en el agua.

(78) Los efectos de reflexión y refracción, puede que ocurran cuando la onda electromagnética pasa muy cerca de una fuente de gravedad intensísima. (Hipótesis del autor).

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2.5 El transporte de energía

La onda mecánica es el fenómeno físico de transporte de energía a través del continuo 3-D (79), sin que haya transporte de la substancia. Puede ser que la onda electromagnética tampoco transporte la energía(80) cuya vibración produce la onda.

La onda transfiere la energía desde su fuente generadora hasta el límite máximo que logra alcanzar. En su traslación la energía pierde intensidad debilitándose.

La cantidad de energía transportada por la onda según la física clásica es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda. De tal manera, una onda de amplitud baja transporta baja energía y una onda de amplitud alta transporta alta energía.

Pero de acuerdo con la teoría cuántica, las ondas electromagnéticas transportan la energía en paquetes de energía llamados fotones y su energía es proporcionalmente directa a la frecuencia. O sea, el número de las vibraciones(81) que ocurren por segundo, de acuerdo con la fórmula:

E = h*f

donde E es la energía del fotón, h es la constante de Plank y f es la frecuencia de la onda.

La longitud de onda es inversa a la frecuencia.

(79) El continuo 3-D está formado por el ente y su entorno (Teoría Holística de la materia del autor).

(80) En el caso de las onda electromagnética, la perturbación de los campos estáticos eléctrico y magnético en su acople en sí misma es energía electromagnética, igual que la energía que la onda transporta. Aunque los campos estáticos eléctrico y magnético están compuestos por fotones virtuales y la onda por fotones reales.

(81) La vibración del acople produce la oscilación de la energía de los campos eléctrico y magnético estáticos.

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2.6 Espectro electromagnético

Todo tipo de átomo, ion(82) o molécula(83) posee un espectro electromagnético único(84).

El espectro de un gran número de elementos está establecido(85) experimentalmente.

El espectro(86) es la consecuencia del conjunto particular de fotones de diferentes energías(87) que un tipo de átomo, ion o molécula puede emitir o absorber(88). Así, el espectro de un ion y molécula es diferente al del átomo neutro, pertenecientes al mismo elemento, por ejemplo al hidrógeno.

Existen tres tipos de espectros:

- Los de líneas puntiagudas con un determinado ancho.

- Los de series de líneas juntas llamados bandas.

- Los que se extienden sobre un rango ancho de longitudes de ondas llamados continuos.

Las líneas del espectro propias de procesos de absorción son negras y corresponden a líneas coloreadas ausentes, como consecuencia de ciertas longitudes de onda, del espectro electromagnético, que han sido absorbidas por los átomos de las masas de gases, que las ondas electromagnéticas, provenientes del espacio, atravesaron durante su viaje a la Tierra. En tanto, las líneas del espectro de los procesos de emisión son coloreadas.

La energía de las ondas absorbidas o emitidas equivalen exactamente(89) a la diferencia de energía entre dos orbitales de electrones, en los átomos que las absorbieron o emitieron.

El espectro permite determinar los átomos de los elementos que están presentes dentro del cuerpo emisor y/o absorbente, si los átomos están ionizados o si forman moléculas(90). Si éstos se mueven y en que dirección lo hacen, lo cual es conocido por el efecto doppler.

Además, se puede establecer la cantidad de los átomos que están presentes y la temperatura de los cuerpos que forman. La cantidad es establecida por la profundidad y la temperatura por el ancho de las líneas del espectro.

Los fotones según su energía son clasificados por tipo de radiación variando entre los rayos gamma, que son los de mayor energía, y las ondas de radio, que son las de menor energía(91).

La composición completa del espectro atómico de acuerdo a los tipos de radiación se presenta en la Tabla 3.

Tabla 3. Composición del espectro electromagnético según tipo de radiación

Tipo de radiación Rango frecuencia Rango Longitud onda

Rayos gamma

10 a la 24 - 10 a la 20

Menor que 1 picométro

Rayos X

10 a la 20 - 10 a la 17

1 nanómetro - 1 picómetro

Ultravioleta

10 a la 17 - 10 a la 15

400 nanómetro - <1 nanómetro

Luz

40 a la 14 - 75 a la 14

750 nanómetro - <400 nanómetro

Cerca infrarrojo

10 a la 14 - 40 a la 14

2.5 micrómetro - <750 nanómetro

Infrarrojo

10 a la 13 - 10 a la 14

25 micrómetro - <2.5 micrómetro

Microndas

30 a la 11 - 10 a la 13

1 milímetro - <25 micrómetro

Radio

< 10 a la 13

Mayor que 1 milímetro

Los rayos gamma son producidos por la desintegración nuclear o el choque entre partículas elementales, que viajan a grandes velocidades.

Los rayos X por la desaceleración de electrones, que viajan a grandes velocidades.

(82) Un ion es un átomo con uno o más electrones añadidos o perdidos respecto a su estado neutro, que es cuando el número de sus electrones es equivalente al de los protones. Cuando el átomo presenta un exceso de electrones el ion es negativo y si le faltan el ion es positivo.

(83) Son dos o más átomos unidos electromagnéticamente que forman una unidad.

(84) Así el espectro obtenido del átomo de hidrogeno es diferente del espectro de todos los demás átomos existentes en la naturaleza, tales como el helio, oxigeno etc. De tal manera, conocido un espectro se sabe el tipo de átomo que le originó.

(85) El espectro es una banda compuesto de líneas, de un determinado grosor, conocidas como líneas de Fraunhofer quien fue su descubridor. El grosor de una línea se llama perfil (profile).

(86) El espectro puede ser de líneas, bandas o continuo. El espectro continuo contiene todos los colores, tal es el caso de la luz blanca.

(87) La energía de un fotón es proporcional directamente a la frecuencia e inversamente a la longitud de su onda asociada.

(88) En el espectro la absorción corresponde a líneas oscuras y la emisión a líneas de color. Ambos tipos de líneas poseen un determinado perfil.

(89) Hay algunos autores que la definen proporcional.

(90) Las moléculas sólo pueden existir en sitios fríos como en la Tierra. Con la elevación de la temperatura las moléculas se rompen en átomos libres y éstos se ionizan.

(91) La emisión o absorción de energía ocurre únicamente en ciertas frecuencias definidas nítidamente.

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2.7 Propiedades de las líneas espectrales

Una señal óptica se esparce mínimo en un pequeño número de longitudes de onda muy cercanas conocido como ancho de línea.

Las propiedades principales de las líneas espectrales son tres:

- La posición central de la línea que corresponde a la frecuencia de la onda.

- La fuerza de la línea o intensidad.

- El perfil de la línea compuesto por el ancho natural y el ancho adicional de la línea.

El ancho adicional de la línea es debido, por una parte, a la colisión entre moléculas, referido como la presión del ancho y, por la otra, al movimiento al azar de las moléculas y a la diferencia de sus velocidades, llamado el ancho del doppler.

La caracterización de la presión del ancho es hecha mediante el perfil de Lorentz, definido como el factor de la forma de la línea espectral que es función de la diferencia entre los números de onda(92) máximo y central.

El ancho del doppler se mide mediante el perfil del doppler que es función de la diferencia entre la frecuencias aparente y real de emisión de la onda.

Los perfiles de Lorentz y doppler se combinan en el llamado perfil de Voigt.

(92) Es un número que caracteriza la onda según la densidad de un medio determinado a través del cual se propaga. El número de onda es igual a: frecuencia angular / velocidad.

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2.8 Algunas propiedades relevantes de los tipos de ondas electromagnéticas

2.8.1 Microondas

Estas ondas electromagnéticas atraviesan bruma, lluvia, nieve, nubes y humo, por lo cual son utilizadas para transporte de voz y datos.

2.8.2 Radio ondas

Son usadas para transportar señales de radio y televisión, también, voz en sistemas de teléfono celular, aunque, con longitudes de onda próximas a la de microondas.

2.8.3 Infrarrojo

Las ondas del infrarrojo son termales por lo que elevan la temperatura del objeto sobre el cual inciden. Debido a que son producidas por casi todos los cuerpos, aún, por los fríos(93). Las ondas infrarrojas son usadas para obtener mapas y fotos, donde las imágenes son construidas aprovechando las diferencias de temperatura, entre los diferentes componentes del cuerpo emisor, que se hacen corresponder a los diferentes colores.

(93) No así por los superfríos.

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Capítulo 3. El átomo y el electromagnetismo y su aplicación al láser

3.1 Los procesos de emisión €“ absorción *

3.2 La interacción hamiltoniana *

3.3 ¿Cuál es el mecanismo de la interacción entre el átomo y el campo electromagnético? *

3.4 El fenómeno de emisión y absorción electromagnética del átomo según la teoría cuántica *

3.5 La emisión electromagnética *

3.6 La absorción electromagnética *

3.7 ¿Existen otros efectos en los procesos de emisión y absorción? *

3.8 Principio universal de la interacción fotón €“ partícula cargada *

3.9 La ecuación de onda de Schrodinger (SWE) *

3.10 Qué es el láser? *

3.11 Componentes del láser *

3.12 La producción del láser *

3.13 Poblaciones atómicas de tres estados *

3.14 Frecuencias Rabi *

3.15 La polarización de Rabi y la del espín del fotón *

3.16 Efectos distorsionantes potenciales del láser *

3.17 El revestimiento de las paredes de la cavidad del láser *

3.18 Transporte de datos, voz e imagen *

3.19 Láseres de pulso y continuos *

3.20 Láser sintonizable *

3.21 La acción de dos rayos láseres *

La tecnología del láser consiste en la producción de radiación electromagnética coherente, utilizando los átomos de un determinado medio substancial. Los átomos son forzados a entrar en un proceso de emisión de energía desde sus capas de electrones, por estimulación previa del paso de los átomos a un estado excitado, que al descargarse genera dicha emisión.

El principal problema de la tecnología del láser radica en alcanzar la mayor pureza en el rayo radiado. El defecto de pureza del láser proviene principalmente de los efectos del doppler.

En este capítulo se presenta la interacción átomo - electromagnetismo, empleada para producir el láser y se advierte acerca del problema que introduce el doppler.

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3.1 Los procesos de emisión €“ absorción

Con certeza se sabe que los átomos y las moléculas presentan el fenómeno de interacción electromagnética con el campo presente en el medio circundante o proveniente de fuentes de radiación electromagnética. Esta interacción ocurre de los dos modos siguientes:

- Los átomos transforman el electromagnetismo recibido, en energía mecánica a través del proceso de la absorción de fotones.

- Los átomos transforman energía mecánica en electromagnetismo, a través del proceso de la radiación de fotones, que son entregados al espacio circundante.

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3.2 La interacción hamiltoniana

También, es cierto que tal interacción del átomo con el 'espacio' (94), es una interacción en un continuo 3-D, es decir, en todas las direcciones de un espacio tridimensional, y que las transformaciones, en ambos sentidos, del electromagnetismo en energía mecánica del átomo, ocurren de acuerdo a la ecuación de energía de Halminton, es decir:

Total Energía mecánica = Energía cinética + Energía potencial

Esto significa que la radiación o absorción electromagnética produce cambios en la energía cinética y potencial del átomo.

(94) El espacio está repleto de campos libres o conectados a sus fuentes.

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3.3 ¿Cuál es el mecanismo de la interacción entre el átomo y el campo electromagnético?

El mecanismo, de esta interacción, no es del todo conocido.

Y averiguándolo la ciencia de la física ha evolucionado, desde la concepción de la mecánica clásica a la concepción cuántica.

De acuerdo a la teoría cuántica, en el átomo la energía electromagnética se transforma en energía mecánica(95) y ésta en electromagnética.

Por lo tanto, se puede introducir el principio que la interacción entre el átomo y el campo electromagnético es una interacción entre el fotón y el electrón(96), en la cual la energía electromagnética proviene o se convierte en energía mecánica del electrón.

(95) La energía mecánica, es decir, del movimiento €“energía cinética- y de la posición €“potencial.

(96) Incluso los electrones libres al pasar a través de átomos reducen su velocidad e irradian electromagnetismo.

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3.4 El fenómeno de emisión y absorción electromagnética del átomo según la teoría cuántica

Los átomos y moléculas, como se ha visto, sólo pueden existir en ciertos estados caracterizados por determinadas cantidades de energía. Cuando éstos cambian su estado es porque absorben o emiten la cantidad de energía exactamente igual para pasar a su nuevo estado.

La energía de un fotón es igual a h x C / l

h x C es la constante de Planck multiplicada por la velocidad de la luz

l es la longitud de onda

Si un átomo o molécula absorbe un fotón de energía h x C / l el cambia de un estado de energía a otro más alto, incrementando su energía en h x C / l . Por supuesto, si el átomo emite un fotón cambia a un estado más bajo, disminuyendo su energía en h x C / l . Por consecuencia:

a) Si el átomo o molécula absorbe un fotón entonces

energía final €“ energía inicial = h x C / l

b) Si el átomo o molécula emite un fotón entonces

energía inicial €“ energía final = h x C / l

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3.5 La emisión electromagnética

En el proceso de emisión electromagnética los electrones pierden energía potencial, al pasar a un orbital más cercano al núcleo. La energía potencial perdida reaparece en forma de energía electromagnética, ya que el átomo emite una fotón de una determinada frecuencia, con propiedades de onda, cuya energía es igual a la diferencia de energía entre los orbitales inicial y final. Por otra parte, el electrón se acelera, al aumentar su velocidad de traslación, o sea, gana energía cinética que proviene de la mayor fuerza ejercida sobre él por el núcleo, al reducirse la distancia entre ellos.

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3.6 La absorción electromagnética

En el proceso de absorción electromagnética los electrones ganan energía potencial, al pasar a un orbital más lejano respecto del núcleo.

La energía potencial ganada proviene de la desaparición de energía electromagnética radiada sobre el átomo e igual a la de un fotón incidente, con propiedades de onda, cuya energía es igual a la diferencia de energía entre los orbitales inicial y final.

Por otra parte, el electrón se desacelera, en su movimiento de traslación, o sea, pierde energía cinética, que es la consecuencia de la menor fuerza ejercida sobre él por el núcleo, al aumentar la distancia entre ellos.

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3.7 ¿Existen otros efectos en los procesos de emisión y absorción?

Esta totalmente probado en los experimentos, realizados recientemente, en los cuales se logro 'parar' la luz, que en el proceso de absorción puede la energía electromagnética revertirse en el cambio de la orientación del espín, es decir, en la orientación, arriba o abajo, de los electrones(97).

(97) El autor pregunta: el cambio en el momento angular orbital por el paso del electrón de un orbital a otro ¿cómo opera?. Si el momento angular disminuye debe existir algún tipo de radiación hiperfina que acompañaría al proceso de absorción. Por el contrario, al aumentar ¿de donde toma la energía?. En este caso, puede provenir de la mayor intensidad de su interacción con el núcleo?.

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3.8 Principio universal de la interacción fotón €“ partícula cargada

En la interacción fotón €“ partícula cargada se produce intercambio entre energía electromagnética y energía mecánica(98).

(98) Todos los aceleradores de partículas se basan en incrementar la energía cinética lineal de una partícula cargada por medio de campos eléctricos.

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3.9 La ecuación de onda de Schrodinger (SWE)

Es, también, claro que la SWE provee una descripción completamente satisfactoria del espectro del átomo de hidrógeno(99), teniendo en cuenta el principio de incertidumbre y la naturaleza de onda del electrón. Sin embargo, existen espectros que aún merecen atención(100).

El sentido exacto de la SWE es el que tomando una función de onda válida(101), se define matemáticamente al electrón en términos de sus propiedades de onda. La función se representa por t .

Esta función da el total de su energía a partir de agregar su energía cinética y su energía potencial, o sea:

Energía total i = Energía cinética i + Energía potencial i

i determina uno de los ejes del continuo 3-D

Como ya se dijo, esta ecuación está definida en un continuo 3-D, o sea, de acuerdo, a un sistema de coordenadas cartesiano x, y, z. Por lo tanto, la función está definida sobre cada eje(102).

La SWE se representa por:

Ei = Hi

Cada función de onda τ tiene una correspondiente energía E y por analogía con el átomo de Bohr es llamada orbital. Estos orbitales representan la densidad de la distribución de electrones que flotan alrededor del núcleo con una energía potencial dada. La función de onda correspondiente a la menor energía en un átomo es llamada estado descargado o estado E1. Cualquier otro estado de un átomo con energía > E1, se conoce como estado excitado del átomo. La energía es negativa indicando que el electrón, en un orbital, está atado al núcleo. La energía es cero cuando el electrón y núcleo se consideran infinitamente separados. El nivel de energía de un determinado orbital es proporcional a su energía potencial; de tal manera, cuanto más distante es un orbital del núcleo mayor es su energía(103).

El cuadrado del valor absoluto de t es proporcional a la probabilidad de encontrar al electrón en un punto (x, y, z) del continuo 3-D, es decir, en un cierto volumen, por esto se llama densidad de probabilidad(104).

Para el átomo de hidrógeno la SWE indica un número infinito de posibles niveles de energía. Para energía cero el sistema se vuelve un continuo, donde cualquier energía es posible.

En este punto el electrón fluye libre a través del espacio a una velocidad determinada de acuerdo con su energía cinética(105). El electrón libre pierde el momento angular y adquiere momento longitudinal, regularmente rectilíneo.

Las soluciones obtenidas de la SWE para el átomo de hidrógeno son extendidas a través de métodos de aproximación a otros átomos, que no tienen soluciones exactas, manteniendo la idea de orbitales. Tales orbitales tienen la misma forma, pero las energías son muy diferentes.

(99) Debido a su simplicidad, ya que es un electrón trasladándose en torno de un protón. También, exactamente para algunos otros átomos como Helio, Litio etc.

(100) Por ejemplo, el espectro de los actinidos ha estado bajo estudio por muchos años.

(101) Son posibles muchas como e1, e2, e3 etc. Sus soluciones pueden ser negativas, 0, positivas o complejas.

(102) Esto es: Ei = Hi según x + Hi según y + Hi según z.

(103) Posee menor energía negativa y, por tanto, se acerca a la energía 0. Pueden haber órbitas con igual o muy similar energía, por tanto, puede haber paso, interorbital de electrones, sin emisión o con radiación de muy escasa energía, cuando las energías de las órbitas son cercanamente iguales.

(104) ÷ t ÷ elevado a la 2. La probabilidad total de encontrar al electrón es 1.

(105) En tal estado el átomo se encuentra ionizado. Y la energía para hacerlo se llama energía de ionización.

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3.10 Qué es el láser?

El láser(106) es el dispositivo para la creación, amplificación y transmisión de un rayo de forma cilíndrica angosto e intenso de luz coherente(107), de una determinada frecuencia y con una mínima dispersión.

Existen algunas fuentes naturales de microondas coherentes que provienen del espacio interestelar(108).

El láser es en general un producto artificial (109) que produce luz en el rango del infrarrojo al ultravioleta, ahora extendido a la frecuencia de rayos X. El láser puede llegar a ser extremadamente intenso, altamente direccional y muy puro en frecuencia(110).

(106) Es la sigla de Light amplification by stimulated emission of radiation.

(107) Es luz que se propaga en una dirección determinada del 3-D, compuesta de ondas de una misma longitud que se encuentran en fase. Mientras que la luz corriente se dirige en todas direcciones, debido a que su emisión es aleatoria y está compuesta de ondas de varias longitudes con diferente relación de fase.

(108) Por ejemplo, la Gran Nebulosa de Orión es una de las fuentes de microondas coherentes. Estas ondas realmente son maser (Microwaves amplification by stimulated emission of radiation) naturales.

(109) Charles Townes es el precursor del láser por sus investigaciones sobre maseres. Townes compartió el premio Nobel de física 1964.

(110) El átomo de cesio posee la propiedad que bajo un buen vacío radia en una angosta línea espectral, cuyas frecuencia y longitud de onda pueden determinarse exactamente.

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3.11 Componentes del láser

El láser consiste de tres componentes básicos:

- Fuente de energía externa, la cual puede ser luz de lámparas especiales, luz de otro láser, una corriente eléctrica o una reacción química.

- El medio del láser, que puede ser un gas, un líquido, un semiconductor o un sólido, los cuales dan su luz propia.

- Cavidad la cual es de forma rectangular cerrada en sus extremos por espejos; uno totalmente reflectivo y el otro parcialmente refractivo, los cuales hacen que la luz oscile de un extremo a otro de la cavidad, a través del medio del que este hecho el láser y un rayo estrecho pase al exterior. La distancia entre las tapas es la longitud de la cavidad del láser.

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3.12 La producción del láser

La tecnología del láser se basa en amplificar la potencia de la luz incidente, mediante la estimulación de los átomos del medio del láser, a radiar luz coherente. Esta tecnología comprende:

3.12.1 Ganancia

La base del láser es el aumento de la potencia de una señal óptica de salida respecto a la de entrada. Este término es sinónimo de amplificación. Una ganancia óptica negativa significa una perdida. La potencia, o intensidad, es la rata de transferencia de energía por unidad de tiempo.

La ganancia de potencia se logra mediante sucesivas oscilaciones del rayo de luz dentro de los tapas reflectoras de la cavidad.

3.12.2 Las poblaciones atómicas invertidas

El estado normal de los átomos de un cuerpo en la Tierra es el del estado descargado, es decir, en el cual no hay emisión de radiación electromagnética. Esto no descarta que algunos átomos se encuentren en estado excitado(111). Pero, la mayoría de los átomos están en estado descargado.

Una de las condiciones necesarias para la producción de luz coherente es el invertir el estado de la población atómica(112), de tal manera que la gran mayoría de los átomos estén excitados y solamente una cantidad muy baja estén descargados. Para lograr excitar una población se requiere añadirle energía, lo cual se hace mediante un proceso conocido como bombeo óptico.

(111) Los electrones en el estado excitado, dentro de los átomos, espontáneamente decaen al estado descargado mediante emisión de ondas electromagnéticas que son de difícil detección.

(112) Se refiere a los átomos que componen el gas o material líquido o sólido, que es usado para producir el láser.

3.12.3 Los dos estados básicos de una población de átomos

Los dos estados básicos de una población de átomos son el descargado y excitado.

El estado descargado de la población corresponde al conjunto de átomos que están en su estado de mínima energía, que es cuando sus electrones se encuentran dentro de orbitales desde los que no pueden decaer, bien por estar en el más interno(113) o todos los orbitales internos(114) encontrarse ocupados por otros electrones(115). Se representa por ½ 1>

El estado excitado de una población corresponde al conjunto de átomos que están excitados, es decir, cuando presentan electrones dentro de cualquiera de los orbitales que siguen al n=1 y pueden decaer(116). Se representa por ½ 2>

El estado descargado y excitado son ortonormales(117) y forman un sistema(118). La diferencia de energía en el sistema es la diferencia energética entre estos dos estados, por ejemplo, entre 1 s y 2 p. O sea:

E2 - E1 = h x w

E2 es la energía del estado excitado, por ejemplo, del estado 2 p

E1 es la energía del estado descargado, por ejemplo, del estado 1 s

h es la constante de Planck

w es la frecuencia de la onda electromagnética

Un electrón puede pasar de ½ 1> a ½ 2> por absorber un fotón real de energía h x w , tomado de un campo electromagnético.

O el electrón puede decaer de ½ 2> a ½ 1> por emitir un fotón real de energía h x w , que es puesto en el campo electromagnético, que esta compuesto de muchísimos fotones reales y virtuales. Unos pocos fotones reales agregados o tomados del campo electromagnético no lo afectan.

Un estado cuántico arbitrario, para un sistema de una población atómica, es definido como la combinación lineal de todos los estados posibles multiplicada por un coeficiente υ dependiente del tiempo. Así el estado cuántico del sistema, para la población en los dos estados básicos es:

½ _> = υ 1(t)½ 1> + υ 2(t)½ 2>

½ _> es el Estado cuántico del sistema

υ1 es el coeficiente del estado descargado ½ 1>

υ2 es el coeficiente del estado excitado ½ 2>

(t) función del tiempo

Toda la información espacial está en ½ 1> y ½ 2> mientras la información temporal en υ1 y υ2. La informaciσn espacial depende de la exacta naturaleza del estado, por ejemplo: s, p, d, etc. Los cuadrados de υ1 y υ2 son las probabilidades(119) de encontrar un átomo en el estado descargado y en el excitado, respectivamente(120).

(113) Es el caso del átomo de hidrógeno cuando se encuentra descargado.

(114) Un orbital es interno en relación a otro cuando se encuentra más cercano al núcleo.

(115) El átomo descargado no puede emitir radiación.

(116) Todo átomo excitado puede emitir radiación.

(117) Rectangulares.

(118) Un sistema es el conjunto de los niveles y subniveles de energía (eigenvalues) que un átomo presenta.

(119) Estas probabilidades varian en el tiempo.

(120) La probabilidad conjunta de los estados descargado y excitado es 1.

3.12.4 Proceso de bombeo óptico

Los átomos de poblaciones normales, en el estado descargado, deben absorber la energía de fotones reales incidentes, para pasar al estado excitado. Sin embargo, los átomos en ese estado, después de cierto tiempo(121), espontáneamente decaen al estado descargado, emitiendo fotones de la misma energía de los absorbidos.

Una técnica de bombeo de energía electromagnética, para invertir una población atómica, es la llamada bombeo óptico, que fue utilizada en el primer láser y sigue usándose.

La técnica de bombeo óptico consiste en radiar el material o medio(122) del láser con luz de frecuencia más alta que la frecuencia del láser, a fin de evitar se produzca el fenómeno de resonancia(123), y sin producir los átomos pasen del estado descargado al excitado.

En láseres de gas se usan adicionalmente otras técnicas. Una es conocida como bombeo por colisión; las moléculas del gas se hacen chocar con otras moléculas o con electrones liberados mediante descargas eléctricas(124).

La otra técnica es la de disociación molecular que consiste en provocar el meneo rápido de los electrones, por la acción de un campo magnético externo; el comportamiento oscilatorio de los electrones los induce a emitir radiación láser(125).

(121) Tiempo de decaimiento del electrón.

(122) El material del láser puede ser un gas, líquido o sólido.

(123) El fenómeno de resonancia magnética fue descubierto por Isidor Rabi, en 1938.

(124) Por ejemplo, en láseres de Neón. La adición de Helio al Neón incrementa la absorción de energía, por parte de los átomos, de la energía radiada por los electrones libres, durante su colisión contra los electrones dentro de los átomos.

(125) Es el caso de los láseres de dióxido de carbono.

3.12.5 Proceso de emisión estimulada de luz coherente

Una población invertida de átomos(126) entra en un proceso de emisión de luz coherente, cuando se hacen incidir fotones sobre sus electrones que se encuentran excitados.

Tales fotones deberán tener una energía igual a la diferencia de energía entre el estado excitado y el descargado(127), llamada frecuencia Rabi. Solamente, en este caso los fotones incidentes estimularán(128) que los electrones golpeados emitan fotones en la misma frecuencia, fase y dirección de los incidentes, es decir, produzcan fotones clonados. Los fotones radiados se agregan a los fotones incidentes, dentro de un proceso de amplificación, y juntos intervienen en una nueva repetición de la emisión estimulada de luz coherente. Esto produce una súbita emisión de una ráfaga de luz coherente, a través de la cual la gran mayoría de los átomos se descargan, en una vertiginosa reacción en cadena.

Todo este proceso ocurre durante un tiempo inferior al del decaimiento espontáneo(129) de los electrones. De esta manera, se produce la emisión láser aproximadamente al mismo tiempo y en la misma dirección(130).

(126) En el máser se hace incidir fotones de energía dentro de la frecuencia de las microondas.

(127) Si la energía de los fotones incidentes es mucho mayor puede expulsar los electrones del átomo ionizándolo. Para ello los fotones deben tener una energía equivalente a la llamada de ionización que es específica de cada tipo de átomo.

(128) Charles Townes y Arthur Schawlow, en sus investigaciones con microondas, descubrieron que las ondas electromagnéticas, al interactuar con los átomos y moléculas se vuelven más fuertes.

(129) Este tiempo, aunque, aleatorio es suficientemente largo, para que la vida de la población invertida resulte estable.

(130) En el proceso normal los átomos emiten radiación electromagnética en tiempos y direcciones aleatorias.

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3.13 Poblaciones atómicas de tres estados

Los orbitales s, p, d, f, etc. pueden presentar subdivisión debida a la presencia de la estructura superfina, ya bien sea por condición natural del átomo o inducida mediante el efecto Zeeman.

Si se subdivide el orbital más interno, s, que siempre es un estado descargado, en los subniveles hiperfinos de energía +F y -F se obtienen dos estados descargados que se representan por ½ 1> y ½ 2>. De esta forma, el estado excitado se representa por ½ 3>. Como consecuencia, podrán ocurrir los dos tipos de transiciones Rabi siguientes:

R1½ 1> <-> ½ 3>

R2½ 2> <-> ½ 3>

R1 es h x w del fotón con energía = E3 - E1

R2 es h x w del fotón con energía = E3 - E2

Inicialmente las población atómica se encuentra en equilibrio térmico(131) entre los estados descargados ½ 1> y ½ 2>. El estado excitado ½ 3>, inicialmente se encuentra vacío.

Mediante la técnica Raman, que consiste en aplicar un rayo láser sintonizado en una frecuencia Rabi(132), R1, para pasar los átomos del estado ½ 1> -> ½ 3>, de donde decaen al estado ½ 1> o ½ 2> emitiendo fotones con energía = E3 - E1 o E3 €“ E2. Si los átomos decaen al estado ½ 1> pueden de nuevo ser excitados, a través de repetir la aplicación de la frecuencia Raman, R1. Después de cierto número de repeticiones de este proceso, aproximadamente la totalidad de la población se encontrará en el estado descargado E2, llamado estado oscuro, porque ya no podrá estimularse más emisión de radiación.

Sin embargo, si se quiere mantener los átomos radiando, se aplica otro láser, sintonizado en la frecuencia Raman R2 para pasar los átomos del estado ½ 2> -> ½ 3>, de donde decaen al estado ½ 1> o ½ 2> emitiendo ahora con energía = E3 - E2.

Si los átomos decaen al estado ½ 2> pueden de nuevo ser excitados, aplicando otra vez el láser. Luego de cierto número de ciclos, la población se encontrará en el estado descargado E1, el cual será ahora el estado oscuro.

Para evitar la interrupción del proceso, los láseres se cambian de frecuencia incrementando uno y decrementando el otro, de tal manera que a la vez haya sólo un láser realizando el bombeo óptico, y nunca se alcance uno de los estados oscuros.

(131) Aproximadamente, igual número de átomos en ambos estados.

(132) Cuando la frecuencia Rabi se logra aplicando un rayo láser es llamada frecuencia Raman.

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3.14 Frecuencias Rabi

La transición de los electrones de un estado de energía cualquiera a otro de energía menor como, por ejemplo, de E2 a E1 produce la emisión de un fotón de energía h x ω y onda de una frecuencia discreta especνfica(133) ω , directamente proporcional a la diferencia E2 - E1.

Lo mismo ocurre, aunque en sentido contrario, cuando los electrones pasan a un estado de energía mayor, caso en el que absorben un fotón de energía h x ω..

La frecuencia de la onda ω , de una determinada transiciσn electrónica, es conocida como la frecuencia de resonancia.

Las diferentes frecuencias de resonancia natural de los átomos fue medida por Isidoro Rabi(134) mediante una técnica que inventó, llamada resonancia magnética, que se refiere a la absorción resonante de energía por el átomo(135).

En particular, Rabi descubrió y manipuló las transiciones hiperfinas de los átomos. Rabi logro cambiar la dirección del espín de los electrones y protones(136), aplicando fuentes de energía electromagnética con igual frecuencia a la del espín de la partícula respectiva. Rabi aplicando ondas de radio frecuencia cambio la dirección del espín del protón del hidrógeno, como consecuencia de hacerlo absorber resonantemente energía electromagnética.

En general, las frecuencias de absorción - emisión de los átomos son frecuencias Rabi.

(133) Estas frecuencias son idénticas para todos los átomos de un tipo de elemento dado. En el caso del átomo de cesio 133 sus frecuencias de emisión son 9, 192, 631 y 770 ciclos por segundo.

(134) Rabi ganó, por este trabajo, el premio Nobel en 1944.

(135) Por ejemplo, en un láser cuando la cavidad y los átomos tienen la misma frecuencia se produce por resonancia la emisión de fotones.

(136) En estas partículas el espín está conectado con el momento de la cantidad de movimiento.

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3.15 La polarización de Rabi y la del espín del fotón

El fenómeno de polarización tiene en el láser los significados siguientes:

- La polarización del espín del fotón que consiste en restringir su orientación bien atrás o adelante de su dirección paralela a la de la onda electromagnética, polarización que es diferente a la de las partículas elementales(137).

- El manejo de la polarización del espín de los electrones, del medio atómico del láser, que es una consecuencia de los experimentos de Rabi, aunque, dicha polarización puede ocurrir en la naturaleza espontáneamente(138).

(137) De acuerdo con los experimentos de Stern/Gerlach el espín de las partículas elementales está cuantizado en las orientaciones arriba y abajo del campo magnético. El espín polarizado las conserva, aunque, restringidas a una única dirección espacial.

(138) Ver Klipstein, Lamoreaux y Fortson (1995).

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3.16 Efectos distorsionantes potenciales del láser

Son de dos clases. Los efectos de dispersión y los efectos del doppler.

3.16.1 Efectos de dispersión

Cuando la luz de una fuente atraviesa el medio, dentro de la cavidad del láser, la ausencia de la perfecta uniformidad de la densidad del medio produce cierta desviación de la luz que emite el láser con relación a la fase de la luz incidente. Si el medio es sólido la desviación ocurre dentro de una única frecuencia y se llama dispersión de Brilloiun. Pero, si el medio es líquido o gaseoso, la frecuencia de la dispersión depende de las fluctuaciones de la densidad del medio y se denomina dispersión de Rayleigh.

Por otra parte, la población invertida genera radiación de luz por descarga espontánea de la población excitada, es decir, sin que resulte de la radiación estimulada por los choques de los fotones incidentes.

Esta luz es incoherente delante de la del rayo láser y se conoce como dispersión de Raman.

3.16.2 Efectos del doppler

El doppler tiene consecuencias adicionalmente distorsionantes en la luz producida por el láser. Sus indeseables consecuencias son:

3.16.3 En el ensanchamiento

El láser presenta algunas distorsiones, debidas a la dispersión y al doppler, las cuales hacen que el láser emita, dentro de una estrechísima banda, varias frecuencias de luz. La característica de luz coherente es relativa a la gran mayoría de las ondas, componentes de la radiación, pero no a su totalidad.

La línea espectral de un láser presenta cierto ancho, que corresponde principalmente a:

- Temperatura

- Intensidad

- La dispersión de Brilloiun o Rayleigh.

- Los efectos de esparcimiento de Raman(139).

- La colisión natural entre los átomos(140).

- La colisión de los átomos contra las paredes de la cavidad.

También, existe un ancho adicional(141) causado por el efecto doppler(142) del movimiento, con diferentes velocidades y direcciones, de los átomos respecto a la dirección de la luz emitida, produciendo los corrimientos al rojo, cuando dichas direcciones coinciden, y al azul cuando están en sentido contrario.

El ensanchamiento debido al doppler varia, en proporción directa, con la temperatura(143) y la longitud(144) de la cavidad del láser.

(139) Un importante factor de distorsión de la emisión del láser es el del esparcimiento de Raman debido al tránsito espontáneo, durante la emisión, de algunos átomos, del estado excitado al descargado.

(140) Presión del ancho de la línea.

(141) Doppler broadening.

(142) El efecto doppler es de toda clase de onda. En el caso óptico, en la escala astronómica, cambia la luz al azul cuando los astros se acercan y al rojo cuando se alejan.

(143) La velocidad de los átomos y moléculas es una función directa de la temperatura.

(144) Las frecuencias aparentes de emisión de la luz debidas al doppler, están en función directa de la longitud de la cavidad del láser.

3.16.4 El perfil del doppler en el láser

El perfil del doppler es definido como el factor de la forma(145) de la línea espectral del láser debido al doppler y expresa la diferencia entre la frecuencia aparente(146), en que parece emitir el láser y la frecuencia real en que lo hace.

(145) El factor de forma proveniente de la presión del ancho se llama perfil de Lorentz que combinado con el del doppler constituye el perfil de Voigt.

(146) Conocida como desintonización (detuning).

3.16.5 Luz desintonizada

Luz desintonizada que parece no provenir de un proceso de transición atómica no obstante ser ese su origen, debido a la distorsión de su frecuencia de emisión por el efecto doppler. Dependiendo del movimiento relativo entre los fotones y los átomos la frecuencia aumenta cuando coinciden en dirección o disminuye cuando van en contra.

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3.17 El revestimiento de las paredes de la cavidad del láser

El efecto de las colisiones de los átomos contra las paredes de la cavidad del láser es provocar la perturbación magnética de los estados de energía de la estructura hiperfina atómica. Norman Ramsey encontró que para reducir dicha perturbación se debían revestir las paredes de la cavidad con teflón. Posteriormente, se estableció que, por lo menos, para el cesio es mucho mejor recubrirlas con parafina.

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3.18 Transporte de datos, voz e imagen

El transporte de energía y el transporte de una señal mediante la onda electromagnética constituyen los dos grandes resultados físicos de los cuales dependerá el que las velocidades superluminales, basadas en la luz, lleguen a constituir un hecho crucial delante de la actual teoría de la Relatividad.

Hoy día, tanto el transporte de energía como de señales continúan restringidas a hacerse con la velocidad de la luz, en el vacío, o inferior.

Si en el futuro se llega a superar esta velocidad se producirá una gran crisis en la física teórica, porque se habrá probado la existencia de velocidades de transporte superluminales.

La transmisión de datos, voz o imagen a través de una onda electromagnética se efectúa mediante la técnica de modulación.

La modulación es la creación de un patrón binario de 1s y 0s, para transmitir datos codificados, a través de una red óptica. Esta función es realizada por un modulador que controla la señal de salida de un láser.

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3.19 Láseres de pulso y continuos

Existen dos tipos de láseres:

- CW los cuales tienen la capacidad de emitir radiación continuamente.

- Pulso, que consiste en la producción corta o discontinua de una ráfaga con duración de milisegundos, microsegundos o nanosegundos.

La luz emitida tiene forma de pulso cuando el láser se basa en el paso de la población invertida a una normal, produciendo una única ráfaga súbita de láser; éstos son los de mayor potencia.

La luz es continua en los láseres CW. Esto se logra haciendo oscilar la ráfaga hacia delante y hacia atrás, mediante el uso de los espejos que sirven de tapas de la cavidad del láser, uno de los cuales es semitransparente para, por un lado, permitir la salida del rayo láser y, a la vez, reflejar parte del rayo para cebar nuevos procesos de bombeo óptico(147) . Con esta técnica, se logra invertir la población atómica tan pronto como se descarga y se estimule la emisión de luz continua; éstos son conocidos como cw láseres, los cuales han sido los de menor potencia(148).

(147) En este caso, se requiere que la población atómica pueda existir en mínimo tres estados, dividiendo el descargado en dos, mediante el aprovechamiento de la división hiperfina. También, se requiere suministrar energía electromagnética para reponer la que se radia.

(148) Recientemente, en la Universidad del Estado de Montana han superado, esta limitación, y producido láseres CW Raman de alta potencia.

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3.20 Láser sintonizable

Los láseres sintonizables son los que pueden ajustarse a emitir en una frecuencia entre varias.

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3.21 La acción de dos rayos láseres

Si dos láseres están, sintonizados en diferente frecuencia, los rayos excitan a grupos de átomos de diferente velocidad.

Si la frecuencia de los láseres es considerablemente más baja delante de una transición atómica, los rayos serán absorbidos por los átomos que con una velocidad alta se mueven hacia ellos. Si hay una frecuencia muy cerrada a la frecuencia de resonancia, sólo puede absorberla los átomos con componente de velocidad paralelo al rayo. En este caso, dos láseres pueden excitar al mismo grupo de átomos, siempre que estén sintonizados en frecuencias, aunque, diferentes cerradas a la de resonancia.

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Parte 2. Las velocidades superfotónicas

El fenómeno del campo electromagnético es de una gran complejidad y dificultad de una comprensión correcta. Su estructura no es observable directamente como si lo es la del átomo, debido a que el fotón existe en el nivel de la escala de Planck(149). Por otra parte, a causa de la complejidad de las manifestaciones del fotón unas veces como onda y otras como cuanto, existe el gran dilema de si es real(150), esa constitución, o como sostuvo la escuela de Copenhague lo realmente físico son los fotones y la onda su probabilidad de encontrarlos en el continuo 4-D, es decir, un mecanismo matemático que le permite a los físicos describirlos estadísticamente, ya que los fotones sólo son perceptibles en grandes cantidades y no individualmente, como se ha logrado con el átomo.

No obstante que la onda electromagnética se continua definiendo como la propagación en el vacío de la vibración del acople de los campo eléctrico - magnético(151) y como tal su energía está en función de la amplitud de la onda, es decir, de su intensidad, lo experimentalmente cierto es que la interacción de la onda electromagnética con el átomo ocurre a través de los fotones cuya energía, a diferencia de la onda, depende de la frecuencia de la vibración(152), es decir, a partir de su carácter cuántico, revelado en el efecto foto eléctrico(153). Una mayor intensidad de luz tiene más fotones que inciden sobre un mayor número de electrones, pero si su frecuencia no es alta no habrá liberación de electrones.

A pesar que la velocidad del fotón es siempre C (154), también, está experimentalmente establecido que la velocidad de la onda es C, sólo en el vacío, y que en cualquier medio substancial es menor que C y en los medios anómalos(155) es mayor que C.

En esta segunda parte, presentaremos, en el capítulo 4, la interacción electromagnética con los medios substanciales y las velocidades de onda subfotónicas y, en el capítulo 5, la interacción electromagnética con los medios anómalos y la velocidad de onda superfotónica, lograda con la tecnología Ganancia asistida.

(149) La diferencia entre la escala del átomo y la de Planck es similar a la que existe entre el tamaño de un hombre y el de nuestra galaxia. Aún más pequeña es la escala de existencia de la estructura del campo gravitatorio.

(150) En la formulación de la teoría cuántica se reconocen dos escuelas la realista y la de Copenhague, que no obstante utilizar las mismas ecuaciones difieren radicalmente en su interpretación de la dualidad onda-cuanto de la luz. Actualmente, los físicos se acogen a la segunda escuela. En todo caso, esto demuestra que es más importante la interpretación filosófica delante del aparato matemático.

(151) Adoptando el punto de vista realista estos campos estarían compuestos de fotones similarmente a como un medio substancial lo está de átomos. (152) Pero, los fotones poseen velocidad C mientras los átomos están practicamente en reposo.

(153) Número de ondas por segundo o en términos del período el lapso de la oscilación.

(154) Descubierto en 1900 y que consiste en la expulsión de electrones del átomo causada por la incidencia de la luz.

(155) El autor sostiene la teoría de que la velocidad C del fotón es el valor tomado, por esta "constante" fundamental, en nuestro actual Universo que tiende al "superfrío", es decir, al 0 absoluto de Kelvin. No así en las supertemperaturas que existieron cuando el campo electromagnético apareció, después del Big-Bang. Y que volverán a existir cuando este campo vuelva a su origen, cuando se integre en la supergravedad, en el final de los tiempos, o sea, cuando vuelva a ocurrir el Big-Crunch.

(156) Han sido creados a partir de las tecnologías de las ondas evanescentes, desarrollada por Gunter Nimtz, en Colonía, Alemania, en 1992 y la de Ganancia asistida, originada, en Princeton, USA, por el grupo de Wang, Dogariu y Kuzmich, en el 2000.

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Capítulo 4. La interacción electromagnética con los medios substanciales y las velocidades subfotónicas

4.1 Velocidades del fotón, la energía, señal, fase y grupo *

4.2 La interacción electromagnética en el límite entre dos medios *

4.3 La división de la onda electromagnética en pulsos *

4.4 Mecanismos de la reflexión y refracción *

La onda electromagnética interactúa con los medios substanciales a través de dos mecanismos que resultan de su dualidad onda - cuanto. El primero, que está plenamente aceptado, es el mecanismo de los procesos de absorción - emisión de radiación electromagnética por los átomos, de naturaleza fundamentalmente cuántica. Y el mecanismo de la interacción propiamente ondulatoria, que el autor propone delante del vacío teórico existente.

En este capítulo se presentan ambos mecanismos correspondientes a los efectos de refracción, consecuencia de la interacción cuántica, y reflexión, que puede deberse a la interacción ondulatoria.

De estos efectos, el básico para el tema que se desarrolla, en el siguiente capítulo, es el efecto de refracción, puesto que es uno de los fundamentos de la tecnología Ganancia asistida, para el logro de la velocidad superfotónica.

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4.1 Velocidades del fotón, la energía, señal, fase y grupo

La onda electromagnética posee por lo menos cinco tipos de velocidades. Estas velocidades son:

- La del fotón real (156) componente cuántico del campo eléctrico - magnético(157).

- La de la energía que transporta como onda. En este caso la cantidad de energía depende de la amplitud de la onda electromagnética.

- La de la señal cuando la onda electromagnética transporta información. Es decir, cuando la energía que transporta la onda electromagnética ha sido modulada, mediante un proceso de generación binaria de la onda, de encendido apagado, o sea, períodicamente presencia o no de la onda, que se hace corresponder de acuerdo con un sistema de codificación. Por ejemplo, el ASCII(158), o el EBCDIC(159), etc. a letras, números y caracteres especiales.

- La de fase correspondiente a la velocidad de la fase de una onda confinada a una única frecuencia y longitud de onda.

- La de grupo que es la velocidad de fase de un paquete de ondas de diferentes frecuencias y longitudes de onda.

Estas cinco velocidades en el vacío son iguales a C. Pero, en medios substanciales de dispersión normal o en regiones anómalas la única velocidad que sigue igual a C es la del fotón. Las demás velocidades cambian.

(156) Energía empaquetada en cuantos, directamente proporcional a la frecuencia de oscilación de la onda electromagnética.

(157) Cuando la energía empaquetada del fotón vibra, transversalmente a la dirección de la onda, y dentro del acoplamiento de los campos eléctrico-magnético, se produce la perturbación del campo electromagnético, hecho de fotones. Esta perturbación del campo se propaga en el 4-D, y en este sentido, constituye una onda en la más pura acepción clásica. Pero, a diferencia de la onda mecánica, cuyas partículas componentes están prácticamente paradas, la onda electromagnética se propaga junto con las miríadas de fotones reales que la componen, a la velocidad C. Por tanto, la onda electromagnética es tan real como lo plantea la escuela realista, pero, simultáneamente no es del todo la onda clásica, sino también el movimiento de miríadas de fotones, cuya energía depende de su frecuencia de oscilación, que es la misma de la onda, y que se mueven probabilísticamente e isotrópicamente con la onda, como lo define la escuela de Conpenhague. Idea del Autor.

(158) Código americano estándard para el intercambio de información.

(159) Extended binary coded decimal interchange code.

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4.2 La interacción electromagnética en el límite entre dos medios

Un medio es el ente donde se origina y transporta una onda, compuesto sin duda en los medios substanciales(160) por una serie de unidades interconectadas e interactuantes con sus adyacentes permitiendo, de tal manera, que una perturbación pueda propagarse(161). Cuando un medio termina otro empieza, la interfase de los dos medios es referida como el límite.

El comportamiento de una onda cuando alcanza el fin de un medio, a través del cual se propaga, es conocido como el comportamiento del límite.

Cuando una onda electromagnética pasa de un medio a otro puede ser que la onda vaya:

- Del vacío a un medio de composición atómica, en regiones normales. La velocidad C cambia a una velocidad menor, debido a la interacción de la onda electromagnética con los átomos, que componen el medio substancial. Esa interacción retarda la onda como consecuencia del lapso del ciclo de absorción - emisión de los átomos.

- De un medio de composición atómica, de dispersión normal, con una determinada densidad óptica a otro medio, también, de composición atómica y dispersión normal, pero de distinta densidad óptica. El primer medio puede tener menor o mayor densidad óptica que el segundo. Cuando la onda electromagnética pasa de un medio substancial de menor densidad a otro de mayor densidad su velocidad disminuye y, en el caso contrario, su velocidad aumenta.

Esto es debido a la mayor o menor frecuencia del ciclo de absorción-emisión atómica del segundo medio con relación al primero.

- De un medio de composición atómica al vacío. La velocidad de la onda electromagnética se vuelve C, debido a la ausencia del ciclo de absorción-emisión atómica.

- Del vacío o desde un medio de composición atómica, de dispersión normal, a una región anómala. La velocidad de la onda electromagnética se vuelve mayor que C.

- De una región anómala al vacío o a un medio de composición atómica. La velocidad de la onda electromagnética disminuye a C, en el vacío, o a menor que C, en un medio substancial de dispersión normal.

En todos estos eventos los fenómenos de reflexión, refracción y difracción que resultan de la interacción de la onda electromagnética y un medio substancial, son similares a los presentados en la interacción que se produce con una onda mecánica, que se propaga entre diferentes medios substanciales. Pero, se debe observar que los mecanismos de la interacción, de las ondas electromagnética y mecánica, son esencialmente diferentes. Mientras que, en la propagación de una onda mecánica, como el sonido o una onda en el mar, entre diferentes medios, el mecanismo de la interacción siempre ocurre entre estructuras atómicas, aunque, diferentes respecto a su densidad física. Por ejemplo, cuando la onda del mar se estrella contra un acantilado la interacción que se produce es entre las moléculas del agua de mar y las moléculas de las rocas del acantilado. No así ocurre con la onda electromagnética, ya que los mecanismos de interacción se producen entre estructuras de naturaleza fundamentalmente distintas.

Las leyes que rigen el mecanismo de la interacción de una onda mecánica, propagándose entre medios substanciales, de materiales distintos, son las leyes de la mecánica newtoniana, aplicadas a la colisión entre partículas. En cambio, la interacción entre la onda electromagnética y la substancia es regulada por las leyes de la mecánica cuántica, de los procesos de absorción y emisión de radiación por parte del átomo.

La onda electromagnética que va a o sale de un medio substancial, o pasa a través de diferentes medios substanciales siempre está sujeta a los procesos de la interacción de una estructura del campo, que es la onda electromagnética, con una estructura atómica, bajo determinadas configuraciones, del respectivo medio o medios substanciales.

La interacción entre el fotón y el átomo ocurre entre la escala de Planck, en que la materia se encuentra organizada a partir de cuantos de energía, y la escala microscópica(162) en que la materia está organizada a partir de átomos. Es decir, se trata de la interacción entre miríadas de fotones invisibles al microscopio, de la onda electromagnética, por cada átomo del medio substancial.

No obstante, que los mecanismos de la interacción de la onda electromagnética con los medios substanciales son bien diferentes a los mecanismos de la interacción de la onda mecánica, se producen los mismos efectos de difracción, reflexión y refracción, con casi iguales propiedades.

La principal diferencia radica que, en dicha interacción, en las ondas electromagnéticas se puede producir el fenómeno de refase, desconocido para las ondas mecánicas.

(160) Los medios constituídos por campos están formados por cuantos virtuales y reales. Los cuantos virtuales son los transmisores de las fuerzas ejercidas por los campos y los cuantos reales son los componentes de las ondas, que se generan y transmiten en los campos.

(161) Propagación es el movimiento de una onda a través de un medio.

(162) Mediante el microscopio electrónico se ha podido ver la estructura atómica, de cualquier material substancial.

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4.3 La división de la onda electromagnética en pulsos

La onda electromagnética, cuando alcanza el límite entre el medio en el cual se propaga y uno nuevo, por un lado, se devuelve que es el efecto de reflexión, y por el otro se transmite al medio nuevo(163).

La energía de la onda primitiva(164) se divide en las energías reflejada, que permanece en el medio originario y la trasmitida que pasa al medio nuevo. La onda que retorna es el pulso(165) reflejado. Mientras, la perturbación generada en el medio nuevo es el pulso transmitido.

(163) Cuando la luz incide sobre algunos materiales se refleja casi totalmente, éstos son los materiales opacos. Sobre otros materiales se refracta casi totalmente son los materiales traslúcidos o transparentes. En los demás, materiales se refleja y refracta.

(164) Esta energía debe ser la de la amplitud de la onda electromagnética. Por lo tanto, es realmente física la onda?.

(165) Un pulso es una perturbación singular moviéndose a través de un medio desde un sitio a otro.

4.3.1 Reflexión

En el pulso reflejado las ondas, que lo componen, conservan la frecuencia, velocidad(166) y longitud e invierten la fase y el sentido de la dirección de las ondas primitivas, también, reducen su amplitud(167).

Cuando la onda primitiva incide no perpendicularmente sobre el medio nuevo, es decir, forma un ángulo respecto a la normal, el pulso reflejado mantiene el mismo ángulo de la onda incidente, aunque, invertido.

4.3.2 Refracción

Las ondas que componen el pulso transmitido experimentan el efecto de refracción, que consiste en los cambios de amplitud, rapidez y dependiendo del ángulo, con que lo haga, puede que, también, la dirección de la velocidad; las ondas conservan su dirección cuando penetran perpendicularmente al medio nuevo, o sea con ángulo cero.

En todos los casos, las ondas refractadas mantienen las fases y las frecuencias de las ondas simples primitivas.

Cuando el frente de onda(168) penetra al medio nuevo, con un ángulo mayor a cero, las ondas, que venían rectilíneas, cambian su dirección exactamente al cruzar el límite, entre los dos medios, y continúan propagándose en línea recta, en adelante, en la dirección nueva. El cambio en la dirección obedece a la ley de Snell, cuya expresión matemática es:

n1 x seno del ángulo de la onda primitiva = n2 x seno del ángulo del pulso trasmitido

donde: n1 es el índice de refracción del medio originario

n2 es el índice de refracción del medio nuevo

Los ángulos se miden respecto a la normal.

Cuando la onda electromagnética pasa a un medio con mayor densidad, que la del medio primitivo, la longitud y la velocidad de la onda disminuyen. Si, por el contrario, la densidad del medio nuevo es menor que la del primitivo la longitud y la velocidad aumentan.

(168) Es el desplazamiento de la onda electromagnética de acuerdo cono un plano rectangular.

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4.4 Mecanismos de la reflexión y refracción

Son diferentes para las ondas mecánica y la electromagnética. Así:

4.4.1 Refracción de ondas mecánicas

En las ondas mecánicas, las cuales son la propagación de una perturbación substancial, la vibración de las moléculas del medio primitivo, en el límite, ponen a vibrar las moléculas del medio nuevo, a través de sus colisiones mutuas.

Si el medio primitivo es más denso físicamente(169) que el nuevo, la vibración se amplifica en el nuevo, por lo que aumenta la longitud de la onda y su velocidad, debido a que el momento trasmitido, durante la colisión molecular, actúa sobre una estructura con menor masa. Lo contrario ocurre cuando se pasa de un medio de menor a otro de mayor densidad.

(169) La densidad física es igual a la masa entre el volumen del medio.

4.4.2 Refracción de la onda electromagnética

La onda electromagnética siempre se expande en el vacío a la velocidad de los fotones C, aún, en el caso de cuando se propaga en un medio substancial, para aquellos fotones, que se mueven en el vacío existente entre las moléculas y átomos(170). Sin embargo, también, se produce refracción pero ésta es el efecto de la interacción del campo electromagnético con los átomos del medio substancial.

La refracción consiste en que al paso de la onda se produce absorción de fotones por parte de los átomos, lo que pone a vibrar a los electrones. Si la frecuencia de los fotones absorbidos no es resonante con la frecuencia natural (171) de vibración de los electrones, la energía absorbida es reemitida en la forma de una nueva onda electromagnética, con la misma frecuencia de la original, debido a que los electrones vibran durante un reducido tiempo y dentro de una pequeña amplitud.

El cambio de la dirección de la onda se produce por los diferentes tiempos en los que los fotones, componentes del frente de onda, alcanzan a los átomos del medio substancial, cuando la dirección de la penetración forma un ángulo con la línea de separación de los dos medios interactuantes. La dirección se mantiene cuando el ángulo es cero.

El pulso transmitido puede, adicionalmente, perder energía, si algunos de sus fotones son absorbidos resonantemente(172).

Los fotones emitidos, durante la emisión de la nueva onda electromagnética, pueden continuar interveniendo en el ciclo de absorción €“ emisión de la interacción.

En medios de dispersión normal la velocidad del pulso(173) se reduce respecto a cuando la onda se propaga en un medio vacío substancialmente, debido al tiempo de retardo del ciclo de absorción - emisión que se presenta durante la interacción entre la onda electromagnética y los átomos. Es decir, si bien, los fotones siempre viajan a una velocidad C, también es cierto, que la onda, compuesta por billones de fotones puede, en los medios substanciales, caer su velocidad por debajo de C.

En la interacción de la onda electromagnética con un medio substancial, de dispersión normal, más importante que la densidad física es la densidad óptica. Puesto que, la reducción de la rapidez de la velocidad de la onda depende principalmente de la densidad óptica(174) del medio. De tal manera, si la onda electromagnética interactúa con un medio substancial con una menor densidad óptica que otro medio pierde rapidez cuando pasa a ese medio. Por el contrario, si la densidad óptica del medio nuevo es menor la rapidez de la onda transmitida aumenta. Siempre que la onda electromagnética pasa del vacío a un medio substancial de dispersión normal su velocidad y longitud disminuyen. Un indicador de la densidad óptica del medio es el índice de refracción del medio substancial el cual se denomina n y se mide mediante la ecuación siguiente:

n = Velocidad de la onda electromagnética en el vacío / velocidad de la onda electromagnética en un medio substancial determinado

El índice de refracción de la velocidad de la onda electromagnética en el vacío es 1 y en los demás medios substanciales de dispersión normal es mayor que 1 o en un medio anómalo, como el usado por el grupo de Princeton(175), cerrado a 1. El medio substancial natural con menor índice de refracción es el aire, con 1.00029 y el de mayor índice el fosfato de galio, con 3.5. Por tanto, la velocidad de la onda electromagnética es mínima en el fosfato de galio(176).

(170) El volumen de un medio substancial en su mayor parte está vacío. En particular, el volumen de un átomo está prácticamente vacío.

(171) Es la frecuencia o frecuencias en que el electrón tiende a vibrar cuando absorbe energía electromagnética.

(172) Ocurre cuando un electrón es golpeado por un fotón cuya frecuencia es la misma de la frecuencia natural del electrón, lo cual lo pone a vibrar con una larga amplitud, haciendo que colisione con los átomos vecinos y la energía de su movimiento vibracional se convierta en calor, caso en el cual no hay emisión de una onda con la misma frecuencia de la del fotón incidente, ya que parte de la energía se transmite en la colisión. El autor propone que la absorción resonante de la onda electromagnética al hacer que los átomos interactuen con otros puede generar una onda mecánica muy débil.

(173) Conocida, también, como la velocidad de fase de la onda electromagnética.

(174) La densidad óptica se refiere al tiempo que dura el movimiento vibracional de los electrones antes de emitir. Este tipo de densidad depende del tipo de los átomos de un medio substancial específico.

(175) Sin embargo, si se toma la velocidad superluminal, producida durante el experimento realizado en Princeton, y se cálcula el índice de refracción su valor resulta menor que 1, e igual a 3 mílésimas, el cual no es el índice de refracción del gas de cesio sino el efecto de la banda electromagnética de refase. Adicionalmente dicha velocidad es la de grupo de la onda electromagnética.

(176) Desde 1999 la velocidad de la onda electromagnética en laboratorio se fue reduciendo hasta que, a principios del 2001, lograron volverla cero. En estos experimentos, fueron creadas regiones de altísimo índice de refracción, no existentes en la naturaleza.

4.4.3 Reflexión de ondas mecánicas

En una onda mecánica cuando encuentra el límite, las moléculas pueden interactuar con las moléculas del otro medio y por el principio de reacción de Newton, las últimas moléculas del medio originario sufren una acción de las primeras moléculas del medio nuevo, lo que genera en la onda reflejada la inversión de su fase, lo cual siempre ocurre cuando la onda pasa de un medio menos denso a otro medio más denso.

Sin embargo, puede que en el límite no ocurra interacción o que sea muy débil, por lo cual la onda reflejada conserva la fase de la onda primitiva, lo cual siempre ocurre cuando la onda pasa de un medio más denso a otro menos denso. Por ejemplo, para una onda transversal, paralela a la normal, de una cuerda vibrante si termina en un punto fijo, las moléculas del medio originario, en el límite, empujan arriba las moléculas del segundo medio, las cuales en reacción empujan hacia abajo a las moléculas del primer medio, produciendo en la última cresta o valle, que la onda de retorno tenga la fase invertida. La longitud de onda reflejada es la misma de la onda originaria, debido a que la frecuencia y velocidad son las mismas.

Pero, si la cuerda vibrante termina en un punto libre puede que la vibración de las moléculas del límite no interactuén con las del medio nuevo y la onda reflejada conserve la misma fase, o sea, las crestas o valles retornan sin invertirse.

Como se desprende, la onda refleja no es el efecto de la interacción entre las moléculas de los medios, sino la consecuencia de que, la propagación de la onda, alcance las moléculas terminales del medio original.

La idea acerca del mecanismo de la reflexión es el de onda marina que, al estrellarse contra un acantilado, produce una onda de retorno o se expande en las aguas menos densas de un río, las cuales desplaza hasta el límite máximo en función de la energía que transporta, o sea, de su amplitud a partir del cual se produce su retorno, a la manera de un caucho que se recoge luego de estirarse.

La onda trasmitida siempre conserva su frecuencia, debido a que fue originada por la vibración con una determinada frecuencia del medio original y, también, conserva la fase de la onda primitiva, debido a que las moléculas del medio nuevo están en principio en reposo, respecto de la onda, y cualquier cambio estará en la misma dirección de las moléculas incidentes.

Pero en cambio, tiene una menor longitud la onda cuando pasa de un medio menos a uno más denso y mayor longitud de onda en el caso contrario.

Una mayor o menor energía se refleja en las colisiones de las moléculas, entre dos medios, de acuerdo con el principio de acción - reacción(177), de la mecánica de Newton, y dependiendo:

- Del ángulo de penetración de la onda primitiva en el medio nuevo, respecto a la línea divisoria de los dos medios.

- Y de la mayor o menor densidad física del medio nuevo con relación al primitivo.

Si la masa de las partículas del medio primitivo es mucho menor que la masa de las partículas del medio nuevo, por ejemplo, durante un movimiento vibracional molecular del agua se produce su colisión contra hierro, la fuerza de reacción ejercida por las moléculas del hierro, sobre las moléculas de agua, hará que se genere una onda refleja en el agua, sin que la acción de la moléculas de agua sobre las de hierro alcance ha generar el movimiento vibracional de las moléculas del hierro. En este caso, la reflexión será total, es decir, no se presentará el efecto de refracción, debido a que no habrá onda transmitida.

(177) A toda acción ejercida por una partícula sobre otra corresponde una reacción igual y de sentido contrario ejercida por la segunda partícula sobre la primera.

4.4.4 Reflexión de la onda electromagnética

El mecanismo de la reflexión de la luz puede tener que ver con la presión fotónica, efecto de Poynting - Robertson(178), sobre el medio en que incide la onda electromagnética y podrá estar en función de la amplitud(179) de la onda. Este efecto no sólo transmite momento al medio sino que deberá rebotar en inelásticos, o desplazarlo, en medios elásticos, a la manera de las ondas mecánicas, lo cual permite que el frente de onda originaria se expanda hasta el límite de su energía no transmitida, a partir del cual inicia su retorno.

Este puede ser el efecto de la onda electromagnética en su integridad, como ente material concreto(180), e individual (181), al incidir, desde el vacío o desde un medio substancial, sobre otro medio substancial.

(178) Este efecto pone en movimiento a las partículas de polvo y afecta el movimiento de los satélites artificiales.

(179) A mayor amplitud de la onda mayor es el número de fotones que componen la onda.

(180) Constituido de miríadas de fotones.

(181) Con comportamiento empaquetado en una onda.

4.4.5 Reflexión interna total

La reflexión interna total consiste en la reflexión de toda la luz incidente sobre el límite entre dos medios. Este fenómeno sólo ocurre cuando están presentes las dos condiciones siguientes:

- Un rayo de luz pasa de un medio más denso a otro medio menos denso(182).

- El ángulo de incidencia del rayo de luz es mayor que el llamado ángulo crítico.

Cuando el ángulo de incidencia tiene un determinado valor la refracción ocurre a lo largo del límite. Este es el ángulo crítico. Su valor depende de los materiales de que estén hechos los dos medios. Por debajo del ángulo crítico la refracción ocurre dentro del segundo medio y por encima, de este ángulo, no existe refracción.

Matemáticamente el ángulo crítico es el inverso del seno del cociente de los índices de refracción del medio menos denso entre el del medio más denso.

(182) Esta propiedad de la onda electromagnética ocurre de manera contraria delante de las ondas mecánicas, donde puede presentarse al interactuar un medio menos denso con otro muchísimo más denso.

4.4.6 La velocidad cero de la luz

En 1999, en Cambridge, Massachusetts, USA, se generó un medio artificial de muy alto índice de refracción(183) opaco, ultrafrío, de altísima densidad atómica.

En este medio se redujo la velocidad de un rayo de luz a 17 metros por segundo.

Desde entonces se ha mejorado, esta tecnología, para continuar bajando las velocidades de grupo y fase de la luz.

Recientemente, a principios de 2001, la luz fue parada y almacenada para su uso posterior.

El logro de la velocidad cero de la luz fue hecho por dos grupos distintos de científicos, en las universidades de Harvard(184) y Colorado en Boulder. La información que transportaban los rayos de luz fue grabada sobre los átomos de un gas.

Ambos grupos, mediante tecnologías diferentes, aunque con base en varios láseres aplicados en distintas etapas del proceso, uno de los cuales es usado de control y otro es el de prueba, crearon un medio substancial artificial con un altísimo índice de refracción.

(183) El valor del índice de refracción fue 17.647.059.

(184) Dirigido por la física Lene Hau, pionera en la reducción de la velocidad de la luz quien, en febrero de 1999, la logro bajar a 17 metros por segundo.

4.4.6.1 Tecnología de Colorado

Un tubo de vidrio, de 3 pulgadas por ¾ de pulgada, fue llenado con vapor de rubidio y helio, a una temperatura cerca del punto de ebullición del agua.

El rayo de luz incidente sobre el gas se desvaneció, al ser totalmente absorbido por los electrones.

La información, transportada por el rayo, fue modulada binariamente mediante cambios uniformes en el espín de los electrones. Para ello se utilizaron dos láseres. El primer láser de control sirvió para cambiar la forma típica en que la luz es absorbida por los átomos, es decir, produciendo que los electrones pasen a un orbital con número cuántico mayor al que estaban. A través de la acción del láser de control los átomos quedaron preparados para que al absorber luz cambiaran la orientación del espín de sus electrones, bien a la orientación arriba o abajo. El segundo láser suministró el rayo de luz de prueba, con la información que fue grabada binariamente en los electrones.

Cuando el gas fue sometido de nuevo al láser de control, los átomos emitieron un pulso idéntico al rayo incidente del segundo láser, recuperándose totalmente la información previamente gravada. La información duro gravada durante cientos de microsegundos.

4.4.6.2 Tecnología de Harvard

Esta tecnología redujo la velocidad de la luz, mediante el super enfriamiento de un gas de vapor de sodio, confinado en una cámara sometida a un super alto vacío(185) y a campos magnéticos.

La velocidad de la onda electromagnética decrece con el descenso de temperatura, debido al aumento en la densidad física(186) del medio.

La temperatura de los átomos está relacionada con su energía cinética, por tanto, se usan técnicas para bajar esta energía y así lograr el descenso de la temperatura. La energía cinética de un átomo se baja cuando se lo golpea con un fotón y lo absorbe en dirección contraria a su movimiento. En general, el ciclo de absorción - emisión de un átomo ocurre cuando el fotón posee la frecuencia de resonancia del átomo.

Debido, al efecto doppler existe una frecuencia aparente de resonancia para los átomos que viajan en dirección contraria a los fotones. Mediante la técnica de láser llamada desintonizando(187) se hace coincidir la frecuencia de los fotones radiados con esa frecuencia aparente, inducida en los átomos por el doppler. De esta forma, se hace que los átomos absorban fotones que reducen su energía cinética y se enfríen.

En el experimento, el gas de sodio fue enfriado a una milmillonésima(188) de grado sobre el cero absoluto de Kelvin.

Por debajo de 435 nano kelvins se produce el fenómeno de condensación de Bose €“ Einstein(189), que consiste en el paso del gas a un nuevo estado de la substancia(190). Los átomos pierden su individualidad y fundiéndose pasan a la forma de un superátomo.

El gas de sodio adquiere una consistencia parecida al plomo, que la luz no puede atravesar. Este superátomo flota, debido a la acción de los potentes campos magnéticos, sin que toque las paredes de la cámara.

En experimentos anteriores, mediante la aplicación de un segundo láser, de luz de un color particular, se logro que el sodio ultra opaco, de otra manera imposible, deje pasar una fracción del rayo de luz de prueba y se vuelva translucido, adquiriendo una constitución plástica.

Este fenómeno es debido al efecto de bloqueo del proceso de absorción por los átomos, porque los electrones no pueden fácilmente pasar a un orbital ulterior al que se encuentran, a causa del efecto de interferencia cuántica, propio de este estado de substancia condensada. Puesto que la absorción está parcialmente inhibida, una fracción del rayo de luz es capaz de atravesar, este quinto estado substancial, a una velocidad considerablemente reducida, la cual fue de 17 metros por segundo, en el experimento pionero. Este es el efecto de transparencia electromagnéticamente inducida.

En el experimento en que se paró la luz el gas fue sometido a un mayor enfriamiento, lo cual produjo que el rayo de la luz de prueba quede totalmente atrapado en los átomos del gas.

El enfriamiento del gas(191), inicialmente caliente, se produce utilizando varias técnicas. Inicialmente, por la aplicación de un láser de control que, utilizando una población de tres subniveles(192), progresivamente descarga los átomos del gas, haciéndolos radiar luz muy brillante. Por una nueva acción de un láser de control el movimiento aleatorio de los átomos es ordenado en una única dirección; cada vez que un átomo, progresivamente con menor velocidad y mayormente apretado con los otros átomos, golpea a un fotón, el átomo es lanzado en la dirección opuesta a la que venía, haciéndose cada vez más lento y más frío, por perdida de energía cinética y radiación muy débil.

Esta descarga de los átomos provoca que reduzcan progresivamente sus movimientos hasta quedar prácticamente parados, conformando el superátomo.

Al final del proceso, conocido como enfriamiento evaporado, los átomos, radiados nuevamente con luz, son lanzados fuera de la acción de los campos magnéticos.

La información grabada duro cinco veces más que el lapso alcanzado en Colorado.

(185) Cientos de trillones más bajo que la presión del aire sobre la Tierra.

(186) Mayor número de átomos por volumen.

(187) Sintonización del láser dentro de una frecuencia diferente de las frecuencias naturales del átomo (Detuning).

(188) Nanokelvins.

(189) Bose y Einstein, en 1924, propusieron que los átomos en temperaturas próximas al cero absoluto de kelvin debían formar un estado de átomos ultra apretados, formando lo que Hau llama un globo de sólida substancia, con capacidad de producir ondas que se comportan como ondas de radio.

(190) Los otros estados substanciales son el sólido, líquido, gaseoso y plasma.

(191) La técnica de enfriamiento usando radiación fue propuesta, en 1975, por Theodor Hansch y Arthur Schawlow para átomos neutrales. El estado de condensación Bose-Einstein fue logrado, en 1995, por Carl Weiman en la Universidad de Colorado.

(192) Estados hiperfinos descargados 1> , 2> y excitado 3>.

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5 El experimento de velocidad superfotónica basado en la tecnología Ganancia asistida

5.1 La función de onda *

5.2 Velocidad de fase *

5.3 Velocidad de grupo *

5.4 La velocidad de los pulsos de luz *

5.5 Relaciones entre las velocidades de fase y grupo *

5.6 Dispersión *

5.7 Las velocidades de fase y grupo pueden superar C *

5.8 Los problemas existentes en torno a la velocidad mayor que C *

5.9 El experimento de Princeton *

En el mundo, desde 1992, en laboratorio se producen velocidades superfotónicas. Principalmente, estas velocidades, se han logrado utilizando la tecnología túnel, empleada por el grupo pionero de Colonia, Alemania, que está basada, a juicio del autor, en mecanismos naturales. En cambio, en Princeton, USA, en el 2000, se implementó la tecnología Ganancia Asistida bastante artificial, la cual genera un medio de almacén de energía electromagnética, para mediante el proceso de la interacción fotón - fotón manipular la interferencia natural de las ondas simples, componentes dentro de una estrecha banda, de un pulso electromagnético, viajero dentro de dicho medio, e inducir el fenómeno de refase de su filo de cabeza, adelantando su tránsito, respecto al lapso gastado en el vacío, y alcanzar una velocidad equivalente a 310C.

Ganancia Asistida tiene sus fundamentos teóricos en el concepto, formulado en 1910, por Sommerfeld y Brillouin, de que la velocidad de grupo, en la propagación de las ondas electromagnéticas, puede superar C, sin que resulte contrario a la Relatividad de Einstein y en el estudio del comportamiento de un pulso gaussiano dentro de una región anómala realizado, en 1970, por Garret y McCumber y comprobado experimentalmente, en 1982, por Chu y Wong.

Estos conocimientos permitieron, al grupo de Princeton, crear un modelo de velocidad superluminal, donde el frente del encabezamiento de un pulso electromagnético, sometido a un fuerte proceso de ganancia, sufre el fenómeno de refase. En la naturaleza el frente de cabeza, que tiene muy poca energía, se extiende tendiendo al infinito. La escasa energía, del frente de un pulso, es debido a la interferencia destructiva de las ondas simples, que componen el pulso, por encontrarse fuera de fase. El proceso de ganancia, aplicado sobre el frente de un pulso gaussiano, reproduce el pulso avanzándolo en el espacio, con relación al pulso original. El resultado del avance es un tiempo de tránsito del pico del pulso, a través de una distancia de prueba, inferior al observado con la velocidad C. El pico del pulso se adelanta con una velocidad negativa, en el sentido que el pico, del pulso original, sin siquiera alcanzar la entrada, del espacio de prueba, aparece a su salida, debido al proceso de refase sufrido por su frente al recorrerlo. El refase consiste en la puesta en fase coincidente, a través de inducir la interferencia constructiva de la mayoría de las ondas simples que componen el pulso, las cuales en el frente inicialmente están en interferencia destructiva. La refase ocurre debido a que, el espacio de prueba, es un medio de almacén de energía, fuertemente proveedor de energía electromagnética al frente del pulso al atravesarlo.

El grupo de Princeton, por primera vez, usando la tecnología Ganancia Asistida, produjó el efecto de refase de un pulso electromagnético gaussiano, aplicado a la generación de una velocidad superfotónica. Este fenómeno, desconocido en nuestro planeta, es una creación artificial, realizada por el poder que ha alcanzado el hombre delante de la naturaleza.

Ganancia Asistida, usa tecnología láser, en un región anómala transparente de poca absorción, creada dentro de dos líneas de ganancia, para producir el fenómeno de refase de un pulso de luz de prueba, que se hace viajar a través de está región. La transparencia del medio es natural y no la electromagnéticamente inducida, usada en los experimentos para parar la luz.

En este capítulo se desarrolla la base teórica y la aplicación de la tecnología Ganancia Asistida para la producción de velocidades superfotónicas.

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5.1 La función de onda

Una onda individual o simple(193) posee una única frecuencia que se extiende al infinito.

La función de onda depende de la posición y el tiempo. En cualquier instante fijo la función de una onda simple, considerada sobre un plano, varia sinusoidalmente a lo largo de un eje x. Y para cualquier posición fija la función de onda varia sinusoidalmente con el tiempo. Un ciclo completo de la onda puede asociarse con un desplazamiento angular de 2 π radianes.

La frecuencia angular (194) ω de un onda es nϊmero de radianes por unidad de tiempo, en una posición fija. El número de onda k es el número de radianes por unidad de distancia en un tiempo fijo. En términos de estos parámetros la función de onda se expresa:

A(t,x) = A0 cos(kx €“ w t)

donde A es la amplitud de la onda y A0 la amplitud máxima de la función de onda.

La combinación de dos o más ondas de diferente frecuencia angular y longitud genera una onda que las envuelve. Asimismo, existe la onda envolvente de las amplitudes de una onda.

La onda envolvente o resultante de la suma de dos ondas se obtiene con la siguiente función:

A(x,t) = 2cos(kx €“ ω t) cos( Δ kx €“ Δ t )

(193) La onda simple es ideal, puesto que físicamente lo que existen son paquetes de ondas, así sea, dentro de una estrechísima banda.

(194) La frecuencia angular mide la frecuencia de cambio de la fase, es decir, del paso de cresta a valle, o viceversa.

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5.2 Velocidad de fase

En la practica la fase de onda se define como el intervalo comprendido entre dos puntos consecutivos máximos, mínimos o ceros de la onda.

Puesto que ω es el nϊmero de radianes de la onda que pasan en una posición por unidad de tiempo y 1/k es la longitud espacial de la onda por radian, entonces la velocidad de la onda es el número de radianes de la onda que pasan en una posición por unidad de tiempo, dividido entre la longitud espacial de la onda por radian, o sea, v = ω / k o velocidad en que la forma de la onda se estα moviendo.

La velocidad en que cualquier fase fija del ciclo se desplaza, es llamada velocidad de fase de la onda.

La velocidad de fase está definida para ondas de una misma frecuencia y longitud que presentan su fase sincronizada, es decir, vistas desde el frente de onda todo el frente presenta exacta coincidencia en fase, ya bien sea de cresta o valle, esto es, coincidentes a una misma longitud de la fuente de la onda. En consecuencia, la velocidad de fase se refiere a una onda electromagnética confinada a una única frecuencia y longitud de onda, así para el espectro luminoso será un color determinado, por ejemplo, el rojo.

La velocidad de fase adoptada convencionalmente es la del frente de una onda(195), de una determinada frecuencia y longitud.

La velocidad de fase, vf, también, se expresa en términos del ciclo de la frecuencia angular w y de la longitud de onda l , mediante la ecuación:

vf = λ x ω o sea, longitud de onda veces la frecuencia angular

La velocidad de fase de la onda electromagnética es la velocidad con que los fotones se están moviendo en el vacío o en un medio substancial con el cual interactúan. Sin embargo, debido a que una onda en general no implica flujos de causalidad sobre cualquier efecto físico, no existe un límite máximo para la velocidad de fase de la onda, por lo cual no necesariamente debe corresponder a la velocidad de transporte de energía o de una señal, para las cuales supuestamente existe el límite de velocidad C (196).

Una señal no siempre es una onda periódica simple, también, puede ser no periódica, resultando la noción de fase algo ambigua. Bajo el contexto de que la velocidad de la señal es igual a la velocidad de fase de la onda, entonces, ésta se define como la velocidad del filo donde comienza el encabezamiento o termina la cola de la onda. El transporte de una señal implica modular la señal con la frecuencia o la amplitud de una onda transportadora.

(195) El frente de onda es la superficie definida por el lugar que ocupan los puntos de onda que tienen la misma fase. El frente de onda es perpendicular al rayo que representa la onda electromagnética. Para rayos paralelos el frente de onda es plano. Para rayos divergentes desde un punto o convergentes hacia un punto, el frente de onda es esférico. Para rayos que varían de divergencia o convergencia, el frente de onda, tiene otras formas, tales como elipsoides o parabolaides, dependiendo de la naturaleza de la fuente. Siempre, el plano en que los vectores de los campos eléctrico y magnético se conjugan es tangente a todo punto del frente de onda. El vector que representa el frente de onda indica la dirección de propagación de la onda. Se debe distinguir del frente de encabezamiento de un pulso.

(196) Teoría de la Relatividad de Einstein.

 

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5.3 Velocidad de grupo

En la realidad, lo que existen son paquetes de ondas debido a que en nuestro Universo(197) el origen de la onda electromagnética son los procesos de absorción €“ emisión de fotones por parte de los átomos, lo cuales radian dentro de un rango de componentes espectrales, a cambio de una pura y única frecuencia.

La superposición de dos ondas con frecuencias cercanas producen grupos o paquetes de ondas. La cresta de una onda individual viaja con la velocidad de fase, la cual es idéntica a la velocidad de la onda; los paquetes de ondas viajan con la velocidad de grupo(198).

Por tanto, la velocidad de grupo está definida para una mezcla de ondas de diferente frecuencia y es por convención la velocidad con que se propaga el pico de un paquete de ondas.

La velocidad de fase de las ondas compuestas constituidas por dos o más ondas simples es Δ w / Δ k. Y debido a que, estas ondas, contienen un grupo de ondas internas, su velocidad de fase es llamada velocidad de grupo.

La onda es un fenómeno de transporte de energía. La energía se propaga con la velocidad de grupo, pudiendo moverse más rápido o más lento que las ondas individuales siempre que según la Relatividad no supere C. Esto es llamado dispersión.

(197) No así durante el Big-Bang cuando, sin que existieran átomos, la onda electromagnética se origina a partir de la supergravedad. Lo cual prueba la existencia de la transición entre gravitones y fotones, a super altísimas energías, que el autor reclama desde 1969.

(198) La velocidad de grupo es la velocidad con que la energía se propaga. Brillouin y Sommerfeld.

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5.4 La velocidad de los pulsos de luz

Un pulso de luz, de duración finita, es necesariamente la suma de un infinito número de ondas de diferentes fases, longitudes y frecuencias. Estas ondas interfieren constructivamente, reforzándose en algunos lugares donde las fases coinciden, y destructivamente en otros sitios de las ondas, donde las fases se cancelan.

El resultado total de la interferencia de las ondas es la forma del pulso, el cual presenta su pico en la zona donde el mayor número de ondas se refuerzan y los mínimos en las zonas donde el mayor número de ondas se cancelan, colocadas a ambos lados de la zona que presenta el pico, en el caso del pulso Gaussiano(199).

Un pulso luz de una micro duración es una combinación de ondas de diferente frecuencia, dentro de una banda de rango muy estrecho.

La velocidad del pulso es la velocidad de grupo mientras que los componentes viajan a su propia velocidad de fase.

(199) Llamadas colas.

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5.5 Relaciones entre las velocidades de fase y grupo

La velocidad de fase y grupo en el vacío es la misma e igual a la velocidad de los fotones que componen el paquete de ondas, o sea, igual a C. Esto es debido a que en el vacío la velocidad de fase es la misma para cualquier frecuencia y, por tanto, la velocidad del grupo igual a la única velocidad de fase. Ahora, esa única velocidad de fase es C, porque, la diferencia de energía entre los fotones que componen cada onda de distinta frecuencia y distinta longitud de onda en el vacío no es relevante y todos los fotones viajan de manera continua a la velocidad C.

En cualquier otro medio, que no sea el vacío, la interacción que sufren los fotones, con los átomos componentes del medio, produce que la velocidad de la onda difiera de la velocidad del fotón, como consecuencia de que las ondas están hechas de fotones y éstos están sujetos a absorción.

En medios substanciales, de dispersión normal, la interacción del fotón con los átomos, causa retardo, pero, en los medios anómalos, adelanto en el tránsito de la onda respecto a cuando la onda se propaga en el vacío. El retardo es diferente para fotones de distinta energía, debido a la diferencia del lapso del ciclo absorción €“ emisión de los fotones por parte de los átomos. Este lapso depende del tipo de átomos que componen el material, de un medio determinado, y de la energía de cada tipo de fotones.

Así, en un mismo medio substancial, los fotones de ondas de diferente frecuencia poseen distinto tiempo de interacción con los átomos y los fotones de una misma energía poseen distinto tiempo de interacción en medios substanciales diferentes. El resultado es que la velocidad del fotón, fase y grupo pasan a ser distintas.

En medios substanciales de dispersión normal, mientras que el fotón conserva la velocidad C, la fase y el grupo tienen velocidades distintas y menores que C. En los medios anómalos la velocidad de grupo supera C.

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5.6 Dispersión

Tanto la velocidad de grupo como la velocidad de fase dependen del medio a través del cual se propaga la onda a causa que existe una relación fija entre el número de onda k y la frecuencia angular de la onda w , dependiente del medio. Esta relación fija esta determinada por el índice de refracción, el cual es igual a C / vf.

Pero, la velocidad de una onda electromagnética en un medio es C / n(v), donde n(v) es el índice de refracción, el cual depende tanto de la constitución de un medio específico como de la frecuencia de la onda. De tal modo, que diferentes frecuencias en un mismo medio poseen velocidades distintas.

Por otra parte, existe una relación entre la velocidad de grupo y la velocidad de fase como sigue:

- En el vacío y en medios no dispersivos son iguales. Todas las crestas, tanto de las ondas largas y como de las cortas viajan a la misma velocidad.

- En medios de dispersión normal, caracterizados por que el índice de refracción es directamente proporcional al número de onda y a la frecuencia de la onda incidente, la velocidad de grupo es menor a la velocidad de fase. Esto es porque los componentes de alta frecuencia son disminuidos más que los de baja frecuencia. Además, cualquier señal modulada se propaga con una velocidad de grupo inferior a C.

Como el índice de refracción aumenta con el incremento de la frecuencia de la onda electromagnética, cada frecuencia viaja con una velocidad distinta. La velocidad se incrementa con la longitud de la onda. Las crestas de las ondas largas viajan más rápido que las crestas de las ondas cortas.

El valor de n (v) es mayor que 1 lo cual produce en un pulso que sufra un retardo, delante a cuando el pulso se mueve en el vacío.

- En medios de dispersión anómala la velocidad de grupo es mayor a la velocidad de fase. Estos medios están caracterizados por que el índice de refracción es inversamente proporcional al número de onda y a la frecuencia de la onda incidente, o sea, decrece cuando se incrementa el número de onda o la frecuencia de la onda, lo cual produce que la frecuencias bajas cambien menos que las altas. En el caso del medio usado en Princeton las ondas cortas las cambio a largas y viceversa.

La energía, en las ondas mecánicas, se transporta más rápido que las crestas de las ondas y las ondas cortas viajan más rápido que las ondas largas. Como consecuencia, la velocidad de grupo es mayor que la velocidad de fase y puede en las ondas electromagnéticas incluso llegar a ser mayor que C.

En ese caso, los físicos actualmente discuten que la onda electromagnética pueda transportar energía o una señal con la velocidad de grupo(200), ya que la velocidad de fase, de todas las ondas constitutivas, son menores que C.

Una región anómala, relacionada con ondas electromagnéticas, en la naturaleza tiene un comportamiento fuertemente absorbente.

En los medios donde se produce el efecto túnel se amputan la frecuencia de las ondas electromagnéticas y la velocidad de fase puede superar C, mientras la velocidad de grupo permanece menor que C.>

Estos medios, por ejemplo, son los conductores magnéticos huecos, llamados guías de ondas(201), que impiden la propagación de bajas frecuencias y recortan las altas. Similar a como los tubos de un órgano sólo permiten ciertos sonidos resonantes.

(200) Arnold Sommerfeld y León Brillouin, en trabajos teóricos, hechos en los comienzos del siglo XX, sostienen que debido a la fuerte absorción y distorsión del medio opaco, propio de una región anómala, hace que la noción de velocidad de grupo no tenga sentido. Con esta base hicieron una demostración de que ni energía o información pueden, dentro de una región anómala, viajar superando C.

(201) Las guías de ondas son utilizadas, por el grupo de Colonía, para alcanzar velocidades de fase superfotónicas, mediante la tecnología túnel.

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5.7 Las velocidades de fase y grupo pueden superar C

En 1970, Geoffrey Garret y Dean McCumber, del Bell Laboratories, en USA, en una demostración teórica establecieron que era posible producir un pulso gausiano indistorsionado con una velocidad de grupo superior que C, siempre que la región a través de la que el pulso viaje sea corta y el pulso tenga un ancho estrecho. En 1982, esto fue experimentalmente confirmado por Steven Chu y Stephen Wong.

En adelante, se han realizado varios experimentos, donde utilizando distintas tecnologías, se han generado velocidades de fase o grupo mayores que C, que han sido denominadas superluminales(202). No así para la velocidad del fotón(203).

Actualmente, se discute si se ha transportado o no energía o señales a una velocidad mayor que C (204).

(202) No solamente en regiones anómalas sino aún en el vacío, como es el caso de los experimentos superluminales realizados en Italia.

(203) En los experimentos de Italia puede que el propio fotón haya superado C.

(204) El profesor doctor Gunter Nimtz asegura que sí.

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5.8 Los problemas existentes en torno a la velocidad mayor que C

No obstante:

- De la existencia de la noción de que la velocidad de transporte de la energía es la velocidad de grupo.

- Emplearse la misma ecuación para el cálculo de la velocidad de grupo cuando es menor que la velocidad de fase y cuando el resultado es el contrario.

- Y de no objetarse, en el primer caso, que la velocidad de transporte de la energía puede ser inferior a las velocidades de fase de las ondas constitutivas.

Cuando, en el otro caso, se plantea que la energía puede transportarse con una velocidad de grupo mayor que las velocidades de fase se dice esto es imposible y, entonces, la velocidad de grupo ya no es la velocidad de transporte de la energía.

Seguramente, nada se objetaría ni habría reelaboración de la noción del transporte de la energía, con la velocidad de grupo, de no ser que esta velocidad puede sobrepasar la velocidad C.

¿Cuál es la velocidad de transporte de la energía o de una señal?. No es la velocidad de fase, puesto que una señal requiere de una onda transportadora y de la onda de la señal y, si se trata del transporte de energía, también, la velocidad de fase ha superado C.

El problema de fondo es el marco teórico usado, el cual basado en la Relatividad de Einstein, prohibe pueda la masa, energía o información viajar más rápido que C. Si como, por ejemplo, lo propone Tom Van Flandern, se utiliza la Relatividad de Lorentz las velocidades de transporte de energía y de información por encima de C son posibles.

Sin embargo, el problema físico es la fuerte distorsión sufrida por el pulso de luz, debido a que una gran cantidad de su energía es absorbida, cuando su velocidad de grupo supera C.

Esta gran absorción hace que la velocidades de transporte tanto de la energía como de la información permanezcan menores que C y rezagadas delante de la velocidad del pico de la onda(206).

Por tanto, al parecer se trata de un problema técnico cuya solución depende de reducir a niveles no significativos la perdida de energía(207).

En los experimentos superfotónicos realizados, en los pasados 10 años, con la tecnología túnel la energía transmitida ha sido demasiado escasa, pero, de todas maneras se ha transmitido energía.

(205) Las velocidades superfotónicas alcanzadas han hecho confuso los conceptos de las velocidades de la energía, señal y grupo, las que pueden coincidir o no.

(206) Pero, el pico de todas maneras representa energía.

(207) El grupo de Princeton utilizó un medio transparente, dentro de dos líneas de ganancia, para que el filo de cabeza del pulso, que fue el que entró a la cámara, sufriera muy poca absorción y, por el contrario, recibiera energía electromagnética necesaria para su proceso de refase.

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5.9 El experimento de Princeton

Este experimento fue realizado, en abril de 2000, en Princeton, por el grupo de Lijun Wang, Alexander Kuzmitch y Arthur Dogariu, en el NEC Research Institute, USA.

En este experimento superfotónico, mediante la tecnología Ganancia asistida, se logra mantener, sin que sufra distorsión importante, un pulso de luz de prueba y sobrepasar la velocidad C, en un medio de dispersión anómala transparente.

Pero, clonando el pulso a partir de la interferencia destructiva de las ondas que lo componen, dentro del frente de su encabezamiento, por ganancia, lo cual conduce a reproducirlo adelantado y ha que el pulso de salida de la región superluminal, aunque igual y construido a partir del mismo, no es el de entrada.

Esto crea la impresión que se ha transportado energía por encima de C. Sin embargo, el hecho físicamente extraordinario es que dos puntos del espacio fueron enlazados a través de una velocidad superluminal 310 veces C, sin que exista violación del principio de causalidad. Esta comunicación por encima de la velocidad C, el autor, desde 1969, y el científico estadounidense Tom Van Flandern, desde 1998, la reclaman para el fenómeno de la gravitación.

El experimento de Princeton posee la misma fortaleza teórica de la explicación aceptada por todos los físicos del mundo, desde hace más de una centuría, y sin ningún reparo, del fenómeno de caída de la velocidad de la luz en las regiones de dispersión normal, como consecuencia del proceso de absorción atómica.

La base física, de este experimento, es análoga al efecto que las regiones de dispersión normal producen sobre las ondas electromagnéticas, pero, contrario porque utiliza el proceso de emisión atómica para proveer fotones al pulso a cambio de quitárselos y, por tanto, produce un resultado contrario, como es el de aumentar la velocidad de grupo por encima de C, debido al fenómeno de refase del pulso, sólo posible en las ondas electromagnéticas. Los efectos de la región transparente de dispersión anómala, entre dos líneas de ganancia, son:

1. El ciclo natural de absorción de los átomos es escaso, a causa de la débil interacción entre los átomos y las ondas del pulso de prueba, como consecuencia de la naturaleza transparente de esa región, es decir, a su poca densidad física.

2. Por otra parte, las dos líneas de ganancia, dentro de las cuales se ha creado esa región, produce el efecto que las ondas electromagnéticas componentes de un pulso que la atraviese, mediante el proceso de ganancia reciban energía de los átomos existentes en un medio substancial, los cuales son forzados a sufrir transiciones Raman(208) y ha depositar fotones, dentro de la región de ganancia, sobre el frente de cabeza del pulso de prueba.

Las características más relevantes del experimento de Princeton son:

- Por primera vez, alcanzando una velocidad superior que C, se conserva la forma del pulso de la luz de prueba, sin gran atenuación, amplificación o distorsión.

- La velocidad de grupo supera 310 veces la velocidad C.

- La velocidad de grupo superfotónica es un efecto de la interacción fotón-fotón, entre un rayo de luz y un medio anómalo de ganancia, enriquecido en fotones (209) .

Mediante la novedosa tecnología Ganancia asistida(210), en una región de dispersión anómala, pero, con propiedades de un medio transparente, fue creado una clase de clonador óptico(211).

(208) Mediante láseres, la técnica de transición Raman logra la manipulación de la emisión de fotones, por parte de los átomos de un medio, colocando los fotones dentro de una determinada banda electromagnética, creada dentro del medio. Esta banda almacena energía y se vuelve una región anómala de ganancia, con máximos en las frecuencias que encierran la banda.

(209) La interacción fotón-fotón es poco conocida. El experimento de Princeton revela que puede producir el fenómeno de refase de la luz. Desde 1969, el autor ha formulado la hipótesis que la luz sometida a fuertes campos sufre cambios de velocidad. El científico estadounidense Tom Van Flander, también, lo sostiene.

(210) El cual utiliza una región de transparencia natural, ha diferencia de la transparencia electromagnética inducida, como lo hace Lene Hau en sus experimentos para parar la luz.

(211) Medio que almacena energía electromagnética.

5.9.1 Descripción general del experimento

Un gas de cesio, a 30 grados centígrados, se depositó en una cámara de vidrio pirex, recubierta con parafina(212), de 6 centímetros de longitud, bajo un campo magnético uniforme, paralelo a la dirección de propagación de la luz.

Este campo produce el efecto Zeeman potenciando y separando los subniveles de energía de la estructura hiperfina. El propósito fundamental fue generar dos frecuencias, muy próximas, correspondientes a los estados descargado ½ 1> y ½ 2>, de una población atómica de tres estados.

En el experimento fueron usados tres láseres, dos de control y el tercero de prueba.

Usando luz polarizada, de los dos láseres de control, mediante la técnica de bombeo óptico, aplicada a una población atómica de tres estados, los electrones de los caparazones más externos(213), de cerca la totalidad de los átomos del gas de cesio, fueron puestos en el estado descargado ½ 1>(214), más frío del conjunto de los 16 estados cuánticos, a una temperatura próxima al cero absoluto de Kelvin(215), lo cual no ocurre en la naturaleza, puesto que una población normal de átomos, como inicialmente estuvo el vapor de cesio, presenta cierta cantidad significativa de ellos en estado excitado, además, a una temperatura ambiente.

La técnica de poner los electrones en un estado cuántico atómico específico, usando una combinación de luz polarizada y el decaimiento natural de los átomos a un estado descargado, es la de bombeo óptico(216). Esta técnica fue la que se uso para primero poner la casi totalidad de los átomos del cesio en el estado ½ 1>. En el bombeo óptico hubo control del efecto doppler, debido a lo cual el experimento se realizó en condiciones de cuasi reposo de los átomos. Luego, nuevamente, mediante los dos láseres de control, se produjo dos rayos de luz continua intensa, con diferente frecuencia, dentro de una angosta banda, ajustada al interior de la estructura hiperfina, en los subniveles de energía de los estados descargado ½ 1> y el excitado ½ 3> (217).

Dentro de la banda se crea una región anómala transparente, comprendida entre las dos líneas de ganancia(218), notablemente separadas tanto del estado descargado ½ 1> como del excitado ½ 3>, aunque, intermedia entre estos dos niveles de energía.

Un pulso de prueba se emite sobre la región anómala transparente, cuyo filo de cabeza al penetrarla provoca ocurran transiciones Raman(219) en los átomos de cesio.

Simultánea a la entrada del frente de cabeza, del pulso de prueba, dentro de la región anómala, los láseres de control envían energía a los átomos del cesio desde las dos líneas de ganancia. Los átomos de cesio en el estado descargado ½ 1> absorben la energía bombeada por los láseres de control y por reemisión la depositan dentro de la zona anómala, mientras pasan al estado descargado ½ 2> (220). De este modo, la estrecha banda electromagnética, entre las dos frecuencias específicas de ganancia, recibe energía de los átomos de cesio y potencia la energía de las ondas, que en interferencia destructiva, componen el filo de cabeza del pulso de prueba, generando su proceso de refase.

El pulso de prueba lo produce el tercer láser, denominado de prueba, con una frecuencia cerrada al estado ½ 2> y con menor intensidad que la de los rayos de los láser de control. El filo del frente de cabeza del pulso del láser de prueba viaja a velocidad de grupo negativa -C/310 dentro del medio activo, lo cual significa que sin haber entrado el pico del pulso de prueba se obtiene un pico replica de salida. Antes, que se produzcan las transiciones Raman, el filo del frente de cabeza del pulso de prueba experimenta una pequeña ganancia al entrar al medio, cuasi sin reflexión, que compensa cualquier perdida que el pulso pudo sufrir. Si la frecuencia del pulso se variara fuera de la región anómala el pulso viajaría por debajo de la velocidad C. La velocidad mayor que C es únicamente dentro de la región anómala transparente de ganancia y sólo en los términos de su velocidad de grupo.

El pulso de prueba presenta su pico donde la mayoría de las frecuencias de sus ondas componentes coinciden en fase, pero, en el filo que lo precede las frecuencias están fuera de fase.

El filo del pulso de prueba al comenzar a entrar en la región anómala sufre el efecto de refracción, con un índice cerrado a 1, pero, con pendiente ligeramente negativa, delante de las frecuencias del pulso de prueba incidente(221), lo cual provoca cambien de inmediato las frecuencias largas en cortas y viceversa, manteniendo toda la información necesaria para reconstruir el pulso original a la salida de la región anómala.

La entrada del filo del frente del rayo provoca que el exceso de energía, mediante las transiciones Raman, inicie el proceso de absorción - emisión de los átomos de cesio, existentes fuera de la región transparente, sin que la luz del rayo del láser de prueba alcance estos átomos.

Lo cual produce, por parte de los átomos de cesio, la emisión de fotones sobre la región anómala, que potencia el proceso de refase del filo del pulso de prueba y en el límite de salida de la cámara se produzca por reflexión una primera replica del pulso y debido a la alta energía almacenada en la región se produzca por refracción un segundo pulso, también replica, que sale al exterior.

El pico del pulso refractado a la salida de la cámara, sale antes que el pico del pulso de prueba haya entrado a la cámara. Como consecuencia del avance con velocidad €“C/310 que sufre el pulso de prueba dentro de la cámara el pulso refractado de luz sale 310 veces más rápido respecto a cuando el pulso de prueba atraviesa en el vacío la misma distancia de la región anómala.

Este pulso refractado abandona la cámara 60 nanosegundos antes que el pulso de prueba lo hubiera hecho, tiempo en el cual el pulso refractado recorre 18,8 metros lejos de la cámara. La velocidad mayor que C ocurre porque la ganancia de la región anómala primero afecta el filo del frente del pulso de prueba.

Por su parte el pulso reflejado viajó, en dirección del pulso de prueba, a una velocidad negativa -C/300, o sea, 300C, con el cual se encontró en el momento de la entrada de su pico a la región anómala. El pico del pulso de prueba y el pico del pulso reflejado al encontrarse, debido al fenómeno de interferencia destructiva de sus ondas componentes, terminaron mutuamente cancelándose.

Tanto el pulso reflejado como el refractado son esencialmente iguales al de prueba.

(212) A fin de reducir al mínimo la distorsión de la polarización del espín de los electrones, en el estado descargado, la cual es producida por las colisiones de los átomos contra las paredes de la cámara.

(213) En el átomo de Cesio los electrones pueden estar en 16 estados cuánticos.

(214) En el subnivel de la estructura hiperfina F=4, m=-4.

(215) El cero absoluto de Kelvin equivale a - 273 grados centígrados.

(216) Alfred Kastler, en 1966, ganó el premio Nobel por su desarrollo.

(217) Subnivel de energía F=4, m=-3 del estado excitado 6P3/2

(218) D1 y D2.

(219) Las transiciones Raman, en el experimento, consisten en que los átomos de cesio pasan, dentro de la estructura hiperfina, del estado descargado ) ½ 1> al estado descargado ½ 2>, de mayor nivel de energía, y adicionalmente, producen radiación de muy débil energía. Las transiciones Raman son provocadas mediante la acción de láseres sobre los átomos del medio.

(220) Subnivel de la estructura hiperfina F=4, m=-2

(221) Un índice de refracción con pendiente negativa no significa un índice de refracción negativo. El doctor Aephraim Steinberg manifestó que el índice de refracción fue cerrado a 1, lo cual no significa que no variara suavemente, causando el efecto de la pendiente negativa, durante la interacción de las ondas del pulso con la región anómala.

5.9.2 Interpretación del experimento

Un pulso electromagnético gaussiano, como el usado de prueba, presenta la forma de una campana con frentes de cola y encabezamiento(222) de amplitud cero. Y su frente de cabeza extendiéndose al infinito.

El pico de un pulso se presenta donde el mayor número de ondas que lo componen coinciden en fase, debido a que todas las fases se refuerzan, por interferencia constructiva. Por el contrario, los mínimos del pulso aparecen donde el mayor número de ondas se encuentran fuera de fase, debido a que por interferencia destructiva las fases se cancelan. Esto ocurre en los frentes de cola y cabeza.

Dentro de la región anómala transparente, comprendida entre las dos líneas de ganancia, se produce el fenómeno de propagación de pulsos en medios dispersivos.

Cualquier medio diferente al vacío es dispersivo, lo cual significa que las ondas componentes de un pulso viajan a diferentes velocidades dentro del medio mientras que en el vacío todas viajan a la velocidad C.

El medio dispersivo puede ser opaco, cuando absorbe resonantemente la luz y produce radiación de microondas, lo cual es conocido como un medio altamente absorbente.

O el medio dispersivo puede ser transparente cuando deja pasar buena parte de la luz incidente sin que sufra el proceso de absorción, es decir, poco absorbente.

Estos medios dispersivos pueden ser normales cuando reducen la velocidad de grupo de las ondas componentes de un pulso por debajo de C o anómalos cuando aumentan la velocidad de grupo por encima de C.

Los medios usados para la producción de velocidades superfotónicas habían sido opacos. Y, por el contrario, el medio transparente, aunque electromagnéticamente inducido, se había utilizado para reducir hasta parar la velocidad de la luz. El problema del medio opaco es que debilita y distorsiona en demasía el pulso que se obtiene de salida. Con la tecnología Ganancia asistida el grupo de Princeton emplea un medio transparente, por tanto, con una débil absorción y distorsión del pulso.

Sin embargo, esto es relativo ya que el pulso de salida no es el de entrada, sino que a partir del pulso de entrada es creado por interferencia constructiva el pulso de salida. Así mismo, no existe una velocidad de fase mayor que C, dentro del medio anómalo, ya que la velocidad de las ondas individuales del pulso incidente siempre está cerradamente ajustada a C, sino que es el resultado para la velocidad de grupo del pulso que aparece a la salida, por aparecer avanzado respecto al de prueba.

El concepto primitivo de ganancia significa amplificación y aquí exactamente el fenómeno de interferencia constructiva de las ondas electromagnéticas en una región anómala transparente. Esto es, el frente del pulso incidente, que es extensivo al infinito, está compuesto de ondas totalmente fuera de fase, constituyendo un mínimo, las cuales en el medio anómalo pasan paulatinamente a ser coincidentes en fase, proceso de refase, y, por tanto, a generar el pico máximo de un nuevo pulso que está avanzado delante del incidente. La totalidad del proceso de refase replica el pulso incidente.

Como consecuencia de una región anómala, transparente, se pueden obtener velocidades:

1 Superfotónicas, en el sentido, que se obtiene un pulso en el medio de salida, que es el contiguo al anómalo, adelantado respecto al paso del pulso incidente dentro del medio anómalo.

2. Con tiempo de tránsito igual a cero, cuando se obtiene un pulso en el medio de salida, simultáneo con el paso del pulso incidente dentro del medio anómalo, de tal manera, el pico del pulso creado por interferencia constructiva, aparece en la salida al tiempo que el pico del pulso incidente entra al medio anómalo.

3. Con tiempo de tránsito negativo, cuando el pico del pulso creado por interferencia constructiva, aparece en la salida antes que el pico del pulso incidente entre al medio anómalo.

La diferencia, entre estos tres posibles resultados, depende de lo fuerte que sea la región anómala transparente en energía.

(222) Llamados cola del lado izquierdo y cola del lado derecho.

5.9.3 Explicaciones parciales que se han dado

El experimento superfotónico realizado en Princeton, ha sido subestimado por algunos físicos que lo presentan erróneamente interpretado. Esto es debido a que la teoría de la Relatividad de Einstein, que está en peligro de ser rebatida experimentalmente(223), en el curso del desarrollo futuro de las tecnologías de velocidades superfotónicas, hace parte de las superestructuras sociales que cuentan, en todo el mundo, con una cultura de protección.

Dentro de tales estructuras los científicos nacen, se educan y ejercen su práctica profesional (224).

Entre las malas interpretaciones de la prueba de Princeton esta la siguiente:

Supongamos 11 corredores que participan en un circuito de 11 vueltas, formando una serie, separados cada uno del próximo por 5 kilómetros, que se mueven a 30 kilómetros por hora.

Cada vez que completan una vuelta, al cruzar la meta, se le agrega un nuevo corredor al que va a la cabeza, en reemplazo del corredor de cola que abandona la carrera.

De esta manera al completarse las 11 vueltas la serie de los 11 corredores que partieron en fila india ahora llegan al tiempo formando un frente rectilíneo y solo el que partió de primero termino, debido a que los restantes fueron paulatinamente reemplazados.

En esta modalidad de competencia el sexto corredor de partida se acordó representara la velocidad del grupo, cuando terminó la vuelta este corredor se movió 30 kilómetros respecto al primero de partida, luego la velocidad de grupo fue mayor que las velocidades individuales de todos, incluyendo la propia.

Con este experimento pensado, que supuestamente explica el de Princeton, se quiere demostrar como imposible se pueda transportar información a una velocidad mayor que C, debido a la separación entre los corredores.

Sin embargo, para explicar correctamente la prueba de Princeton, en este experimento pensado, lo primero que se debe modificar es que los corredores no estuvieron separados. La fila india fue de 11 corredores conectados, a la manera de los vagones de un tren y cada corredor agregado recibió información del grupo.

(223) Ya lo ha sido teóricamente ver: Los experimentos indican que la velocidad de la gravedad es mínimo 20 mil millones de veces C. Alfonso Guillén. Santafé de Bogotá. 2001.

(224) Parodiando a Woody Allen, para cambiar el mundo se requieren niños que a cambio de enamorarse de Blanca Nieves. se enamoren de la bruja.

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Conclusiones

No obstante, que la interferencia entre ondas, en la cual forman otras compuestas, es un fenómeno físico y, no una simple convención matemática, que la velocidad de grupo mayor a las velocidades de fase está comprobada en las ondas marinas y que en los términos de un conocimiento básico e incluso popular está plenamente aceptado que la velocidad de la luz en el vacío se vuelve menor, en las regiones de dispersión normal, en cambio, resulta que cuando se vuelve mayor, en las regiones de dispersión anómala, para muchos físicos, de reconocido prestigio, dizque es un efecto carente de sentido físico.

Las velocidades superfotónicas logradas, desde la década de los 90, del siglo 20, por diferentes equipos de científicos en diferentes lugares del mundo se han venido interpretado con las teorías basadas en la Relatividad de Einstein, es decir, dentro de un marco donde son imposibles. Los científicos que las han producido creen que se trata de hechos explicados con ideas fincadas en el pasado, aunque, tímidamente plantean sus dudas y se esfuerzan por que sus experimentos resulten contundentes, demostrando el extraordinario hallazgo. Esta sucediendo algo similar a lo ocurrido con el descubrimiento de América que interpretado con la vieja teoría Colón murió creyendo haber llegado a la India. Sin embargo, el hecho nuevo y definitivo en la física es que dos puntos, en el espacio, han sido enlazados con una velocidad muchas veces mayor que la de la luz, sin que se haya violado el principio de causalidad, es decir, en el cual se hubiera utilizado un tiempo negativo de retorno al pasado. Realmente, los dos sitios fueron enlazados utilizando un tiempo mucho menor al que gasta la luz en el vacío. En el futuro se desarrollaran las tecnologías de transporte superfotónico de energía y señales que definitivamente el mundo acepte, sin ningún temor ni recato.

Desde 1969, el autor reclama que la interacción gravitatoria ocurre con una velocidad mayor que la de del fotón, y no obstante, este fenómeno no viola el principio de causalidad, aunque, rebate la errada concepción de la Relatividad de Einstein acerca del mundo. En 1998, el científico norteamericano Tom Van Flander estimó que la velocidad de la propagación de la gravedad es mínimo 20 mil millones de veces la del fotón y plantea la necesidad de abandonar la teoría de la Relatividad de Einstein. Los diversos experimentos superfotónicos así lo están comenzando a indicar.

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36. Matthias, Tomczak. Revisado por Ivan Lebedev and Yin Soong Oceanografía. (2000). USA.

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38. Obolensky, Alexis. Superluminal Experimentor, Dissident Physicist, Overunity Engineer!. (1998). USA.

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40. Repasky, L. Meng, L. Brasseur, J. Carlsten, J. and Swanson, R. High-efficiency, continuous-wave Raman Lasers. (1999). USA.

41. Sibert Gwen. Electronic Structure of Atoms. (2000). USA.

42. Sokolik, Irina. Radiative Processes in Planetary Atmospheres. (2000). USA.

43. Spotts, Peter. Stopping light. (2001). USA.

44. Ramsey, Norman. Molecular Beams. (1956). USA.

45. Ramsey, Norman. History of Atomic Clocks. (1983). USA.

46. Rochester, S. Hsiung, D. Budker, D. Chiao, R. Kimball D. and Yaschuk V. Self-rotation of resonant elliptically polarized light in collision-free rubidium vapor. (2000). USA.

47. Rodríguez, W. Superluminal. (2000). USA.

48. Schewe, F and Stein, Ben. Is the fine structure constant changing?. (1999). USA.

49. Steinberg, Aephraim. The observation of a light pulse leaving a gas-filled chamber before it had even arrived sparked a media frenzy, yet the laws of physics have remained intact. Physics World. Volume 13. Issue 9. Departament of Physics, University of Toronto. (2000). Canadá.

50. Tissue, Brian. Electromagnetic Radiation. (2000). USA.

51. Tissue, Brian. Electromagnetic Spectrum. (2000). USA.

52. Van Flandern, Tom. The Espeed of gravity - Repeal of the Speed Limit. (1999). USA.

53. Wang, A. Kuzmich, A. and Dogariu, A. Gain-assisted superluminal light propagation. (2000). USA.

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59. Yndurain, Francisco. Más rápido que la luz nada. BEM. Año 11. Número 75. (2000). España.

Otros:

60. Electromagnetic Interaction.

http://www.ebtx.com/ntx/ntx17.htm

61. Phase, Group, and Signal Velocity.

http://www.mathpages.com/home/kmath210/kmath210.htlm

62. The Physics Classroom.

http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/waves/u1013a.htlm

63. Physics 2000.

http://www.colorado.edu/physics/2000

64. The Electromagnetic Spectrum.

http://imagers.gsfc.nasa.gov/ems/waves3.htlm

INDICE DE MATERIAS

Introducción *

Parte 1. EL LASER *

Capítulo 1. El átomo *

1.1 Estructura del átomo *

1.2 Teorías sobre el átomo *

1.3 Propiedades de los componentes del átomo *

1.4 Interacción electromagnética *

1.5 Energía total del átomo *

1.6 Fuerza de los fotones sobre los átomos *

1.7 Estructura cuántica de los orbitales *

1.9 Estructura fina *

1.10 La constante de la estructura fina *

1.11 Estructura hiperfina *

1.12 Efecto Zeeman *

1.13 La evolución del electrón dentro de los orbitales *

1.14 Las transiciones orbitales de los electrones y los tipos de radiación *

1.15 Transiciones D1 y D2 *

Capítulo 2. La onda electromagnética *

2.1 Qué es la onda electromagnética? *

2.2 Polarización *

2.3 Anatomía de la onda electromagnética *

2.4 Comportamiento de las ondas *

2.5 El transporte de energía *

2.6 Espectro electromagnético *

2.7 Propiedades de las líneas espectrales *

2.8 Algunas propiedades relevantes de los tipos de ondas electromagnéticas *

Capítulo 3. El átomo y el electromagnetismo y su aplicación al láser *

3.1 Los procesos de emisión €“ absorción *

3.2 La interacción hamiltoniana *

3.3 ¿Cuál es el mecanismo de la interacción entre el átomo y el campo electromagnético? *

3.4 El fenómeno de emisión y absorción electromagnética del átomo según la teoría cuántica *

3.5 La emisión electromagnética *

3.6 La absorción electromagnética *

3.7 ¿Existen otros efectos en los procesos de emisión y absorción? *

3.8 Principio universal de la interacción fotón €“ partícula cargada *

3.9 La ecuación de onda de Schrodinger (SWE) *

3.10 Qué es el láser? *

3.11 Componentes del láser *

3.12 La producción del láser *

3.13 Poblaciones atómicas de tres estados *

3.14 Frecuencias Rabi *

3.15 La polarización de Rabi y la del espín del fotón *

3.16 Efectos distorsionantes potenciales del láser *

3.17 El revestimiento de las paredes de la cavidad del láser *

3.18 Transporte de datos, voz e imagen *

3.19 Láseres de pulso y continuos *

3.20 Láser sintonizable *

3.21 La acción de dos rayos láseres *

Parte 2. Las velocidades superfotónicas *

Capítulo 4. La interacción electromagnética con los medios substanciales y las velocidades subfotónicas *

4.1 Velocidades del fotón, la energía, señal, fase y grupo *

4.2 La interacción electromagnética en el límite entre dos medios *

4.3 La división de la onda electromagnética en pulsos *

4.4 Mecanismos de la reflexión y refracción *

5 El experimento de velocidad superfotónica basado en la tecnología Ganancia asistida *

5.1 La función de onda *

5.2 Velocidad de fase *

5.3 Velocidad de grupo *

5.4 La velocidad de los pulsos de luz *

5.5 Relaciones entre las velocidades de fase y grupo *

5.6 Dispersión *

5.7 Las velocidades de fase y grupo pueden superar C *

5.8 Los problemas existentes en torno a la velocidad mayor que C *

5.9 El experimento de Princeton *

Conclusiones *

Bibliografía *