Las “partículas virtuales” pueden convertirse en fotones reales – bajo las condiciones adecuadas.
El
vacío podría parecer espacio sin nada, pero los científicos han
descubierto una nueva forma de, aparentemente, lograr algo, como la luz,
a partir de la nada. Y el hallazgo podría, finalmente, ayudar a los
científicos a construir computadores cuánticos increíblemente potentes, o
arrojar luz sobre los primeros momentos de la historia del universo.
La
física cuántica explica que existen límites a la precisión con la que se
pueden conocer las propiedades de las unidades más básicas de la
materia – por ejemplo, no se puede conocer, simultáneamente, con certeza
la posición de una partícula y su momento. Una extraña consecuencia de
esta incertidumbre es que el vacío nunca está completamente vacío, sino
que bulle con lo que se conoce como “partículas virtuales”, que aparecen
y desaparecen constantemente.
Efecto Casimir
Estas
partículas virtuales aparecen a menudo en parejas que, casi
instantáneamente, se aniquilan entre sí. Aun así, antes de desvanecerse,
pueden tener efectos muy reales sobre sus alrededores. Por ejemplo, los
fotones – paquetes de luz – pueden aparecer y desaparecer en un vacío.
Cuando se colocan dos espejos uno frente a otro en un vacío, hay más
fotones virtuales fuera de los espejos que entre ellos, lo que genera
una aparentemente misteriosa fuerza que empuja los espejos uno contra el
otro.
Este fenómeno, predicho en 1948 por el
físico holandés Hendrick Casimir, y conocido como efecto Casimir, se
observó por primera vez con espejos fijos. Los investigadores también
predijeron un efecto Casimir dinámico, que aparece cuando se mueven los
espejos, o los objetos sufren cambios, Ahora, el físico Pasi Lähteenmäki
y sus colegas, de la Universidad de Aalto en Finlandia, revelan que, al
variar la velocidad a la que puede viajar la luz, pueden hacer que
aparezca luz en la nada.
La velocidad de la luz en el vacío es una
constante, de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, pero
su velocidad cuando atraviesa un material depende de una propiedad del
mismo, conocida como índice de refracción. Variando el índice de
refracción del material, los investigadores pueden influir en la
velocidad a la que viajan dentro del mismo tanto fotones reales como
virtuales. Lähteenmäki dice que puede verse este sistema como un espejo,
y si su grosor cambia lo bastante rápidamente, los fotones virtuales
que se reflejan puede recibir suficiente energía del rebote como para
transformarse en fotones reales. “Imagina que te encuentras en una sala
muy oscura y, de pronto, el índice de refracción [de la sala] cambia”,
explica Lähteenmäki. “La sala empezaría a brillar”.
Los investigadores empezaron con un
conjunto de 250 dispositivos superconductores de interferencia cuántica,
o SQUIDs—circuitos que tienen una sensibilidad extraordinaria a los
campos magnéticos. Colocaron el conjunto dentro de un refrigerador.
Aplicando cuidadosamente campos magnéticos a este conjunto, pudieron
variar la velocidad a la que viajaban los fotones de microondas a través
del mismo en unos puntos porcentuales. Los investigadores enfriaron
luego este conjunto hasta 50 milésimas de grado Celsius por encima del
cero absoluto. Debido a que este entorno es superfrío, no debería emitir
radiación, comportándose, básicamente, como un vacío. “Simplemente
estudiamos estos circuitos con el propósito de desarrollar un
amplificador, algo que logramos”, dice el investigador Sorin Paraoanu,
físico teórico en la Universidad de Aalto. “Pero entonces nos
preguntamos, ¿qué pasa si no hay señal a amplificar? ¿Qué pasa si el
vacío es la señal?”.
Los investigadores detectaron fotones que
encajaban con las predicciones de un efecto Casimir dinámico. Por
ejemplo, tales fotones deberían mostrar la extraña propiedad del
entrelazamiento cuántico — es decir, que al medir las propiedades de
uno, los científicos podrían, en principio, conocer exactamente cómo es
su homólogo, sin importar en qué punto del universo esté, un fenómeno al
que Einstein se refería como “acción fantasmal a distancia”. Los
científicos detallan sus hallazgos en la edición en línea del 11 de
febrero de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Este
trabajo, y distintos trabajos recientes, demuestran que el vacío no
está tan vacío, sino que está lleno de fotones virtuales”, dice el
físico teórico Steven Girvin de la Universidad de Yale, que no participó
en el estudio de Aalto.
Otro estudio, del físico Christopher Wilson y sus colegas, demostró recientemente el efecto Casimir dinámico
en un sistema que imitaba un espejo en movimiento a casi el 5 por
ciento de la velocidad de la luz. “Es genial ver posteriores
confirmaciones de este efecto y ver que este área de investigación sigue
avanzando”, dice Wilson, ahora en la Universidad de Waterloo en
Ontario, que tampoco participó en el estudio de Aalto. “Solo hace poco
tiempo que la tecnología nos ha permitido entrar en un nuevo régimen
técnico experimental, donde podemos empezar a observar cambios muy
rápidos que pueden tener efectos drásticos sobre los campos
electromagnéticos”, añade.
Los
investigadores advierten que tales experimentos no constituyen una forma
mágica de lograr más energía de la que se introduce en un sistema. Por
ejemplo, se necesita energía para cambiar el índice de refracción del
material.
En
lugar de esto, la investigación podría ayudar a los científicos a
aprender más sobre los misterios del entrelazamiento cuántico, que es
clave para los computadores cuánticos – máquinas avanzadas que podrían,
en principio, realizar más cálculos en un instante que átomos hay en el
universo. Los fotones de microondas entrelazados generados por en
conjunto experimental “pueden usarse para una forma de computación
conocida como procesado de información cuántica de ‘variable continua’”,
comenta Girvin. “Este es un camino que están empezando a abrirse”.
Wilson
añade que estos sistemas “podrían usarse para simular algunos
escenarios interesantes. Por ejemplo, hay predicciones de que, durante
la inflación cósmica en los inicios del universo, los límites del mismo
se expandían casi a la velocidad de la luz, o incluso más rápidamente.
Podríamos predecir que habría producido algún tipo de radiación de
Casimir dinámica, y podemos intentar realizar simulaciones de este
evento”.
De la
misma forma que el efecto Casimir implica espejos fijos; el efecto
Casimir dinámico puede, por ejemplo, incluir espejos móviles.
Fuente: Ciencia Kanija - Scientific American
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