El péndulo de Newton es quizá el aparato más famoso para demostrar la conservación de la energía y del momento lineal. Se trata de un conjunto de bolas suspendidas y conectadas entre sí, diseñado en su forma moderna probablemente en la década de 1960 y posteriormente vendido como juguete de oficina. Pero en el siglo XVII, Newton y muchos otros científicos ya conocían su física.

La conservación de la energía y del momento lineal son dos principios de aplicación universal. Se utilizan tanto a escala cosmológica como humana, también a escala atómica y subatómica, aunque con variaciones causadas por las extrañas leyes de la mecánica cuántica. Esto plantea una cuestión interesante: ¿es posible construir una versión cuántica del péndulo de Newton con partículas subatómicas, como los fotones?

La respuesta la ofrece el físico de la Universidad Jiao Tong de Shanghái (China) Zhen Feng y algunos compañeros. El equipo ha creado un péndulo de Newton de fotones y afirma que la física implicada podría ayudar a explicar una serie de procesos de la transferencia de energía poco conocidos en la naturaleza, como la fotosíntesis y la detección de olores.

El péndulo de Newton es un dispositivo simple. La demostración comienza levantando y dejando caer la bola de uno de los extremos de la serie suspendida. Cuando esta bola choca con la siguiente en línea, transfiere su energía y su momento lineal. La segunda bola entonces transfiere su energía y momento lineal a la siguiente bola, y así sucesivamente, hasta que la última bola acaba impulsada al aire. Se desplaza separándose del grupo y luego vuelve hacia atrás. Ese es el punto en el que el proceso de la transferencia de energía y del momento lineal se repite en la dirección opuesta.

La importancia del dispositivo reside en que no es necesario controlar la transferencia de energía y del momento lineal en cada paso. El dispositivo está diseñado de tal manera que garantiza que la transferencia se realiza por sí misma. La única influencia externa se aplica al principio y viene determinada por la altura a la que se levanta la primera bola.

La cuestión que Zhen y sus colegas analizan es si es posible diseñar un sistema similar con fotones. Su equivalente es una serie de guías de onda dentro de un chip fotónico. Un fotón entra en la primera guía de onda, luego salta a la siguiente, y así sucesivamente, hasta que sale de la última guía de onda. En total, hay 23 guías de onda en esta cadena.

Lo fundamental es que el fotón debe conservar su "identidad" cuántica durante cada salto. Así que no puede haber decoherencia: el fotón que sale debe poder reconocerse como el mismo que entró en el aparato.

Un factor clave es la unión entre las guías de onda. Esto determina si el fotón puede realizar el salto con éxito, si se refleja o si se absorbe. Así que el diseño del chip fotónico es crucial. De hecho, Zhen y sus colegas lo perfeccionaron para que no haya necesidad de controlar cada salto, simplemente ocurre de la misma manera que se transfiere la energía de una bola a otra en el péndulo de Newton. La investigación detalla: "La cadena es capaz de transferir energía entre dos sitios remotos con la misma forma de intercambio de energía e interacción mecánica que el péndulo de Newton".

El equipo también introduce ruido para ver cómo reduce la eficiencia de la transferencia. Para ello, han añadido una guía de onda adicional, como una isla, al lado de la cadena. Esto aparece como un callejón sin salida para los fotones y parece prevenir o reducir la transferencia de energía. "El punto de la isla añadida se puede considerar como ruido, defecto o entorno para el control limitado de la cadena original", amplía el texto.

Pero en contra de lo esperado, sucede lo contrario. Zhen y sus colegas demuestran que hay una amplia gama de condiciones en las que este "ruido" mejora la eficiencia de la transmisión en lugar de reducirla: "Podemos lograr un aumento del 8 %, del 77 % (sin defecto) al 85 % (con defecto)."

Eso tiene algunas similitudes con la transferencia de energía observada en los seres vivos. Resulta que los sistemas fotosintéticos se comportan de manera similar. Varios grupos de investigación han identificado que los defectos parecen mejorar la transferencia de energía a través de las gigantes estructuras moleculares involucradas en la fotosíntesis. Un efecto parecido ocurre en la detección de olores, que se suele considerar como un fenómeno cuántico.

La posibilidad de reproducir este desconcertante efecto en un sistema artificial permitirá a los investigadores estudiarlo con más detalle. De hecho, la base fotónica del péndulo de Newton se convertirá en un modelo útil para comprender mejor los procesos de la vida. Newton se hubiera quedado atónito.

Ref: arxiv.org/abs/1901.07574: Photonic Newton’s Cradle for Remote Energy Transport