Fricción cuántica: ¿Existe después de todo?

Durante varias décadas los físicos han estado intrigados por la idea de la fricción cuántica — que dos objetos que se mueven uno junto al otro experimentan una fricción – como la fuerza lateral que surge a partir de las fluctuaciones cuánticas en el vacío.

Varios grupos independientes han calculado anteriormente que la fricción cuántica podría surgir a partir de la fuerza de Casimir entre dos placas — cuando esas placas se mueven relativamente una respecto a otra. Existen también algunas pruebas experimentales indirectas de que existe tal fuerza lateral.

Ahora, no obstante, investigadores en el Reino Unido han realizado cálculos detallados, los cuales, según afirman, demuestran que no existen fuerzas laterales y que, por tanto, la fricción cuántica no existe.

En 1948 el físico holandés Hendrik Casimir descubrió que dos placas de metal perfectamente conductoras no cargadas colocadas en un vacío deberían atraerse entre sí. Esta fuerza surge a partir del hecho de que, de acuerdo con la mecánica cuántica, la energía de un campo electromagnético en un vacío no es cero sino que fluctúa continuamente alrededor de cierto valor medio, conocido como “energía de punto cero”. Casimir demostró que la presión de radiación del campo fuera de las placas tenderá a hacerse ligeramente más grande que la que hay entre las placas y por tanto, experimentarán una fuerza atractiva.

¿La reflexión lleva a la fricción?

Evgeny Lifshitz generalizó la predicción de Casimir para materiales reales en 1956, y durante los últimos treinta años los investigadores han intentado calcular también lo que sucede con la fuerza de Casimir cuando las placas de mueven en relativamente unas respecto a otras con velocidad uniforme. Las ondas electromagnéticas, o modos, que existen entre las placas rebotan adelante y atrás y su reflexión se verá afectada por el movimiento de las placas.

Los físicos concuerdan en que este cambio en la reflexión altera el ahora familiar componente perpendicular de la fuerza de Casimir, pero un número de investigadores también han calculado que debería haber una fuerza lateral entre las placas, una fricción mecánico cuántica que podría potencialmente ser de gran interés para los ingenieros para tratar de mejorar el rendimiento de los dispositivos mecánicos ultra-pequeños.

Por ejemplo, John Pendry del Imperial College de Londres ha calculado que las diferencias entre el desplazamiento Doppler de dos modos de reflexión sobre placas en movimiento en direcciones distintas puede llevar a una fuerza de fricción si la reflectividad de las superficies depende de la frecuencia.

No obstante, Thomas Philbin de la Universidad de St Andrews dice intentar calcular esta fuerza de Casimir modificada es extremadamente difícil y que anteriores esfuerzos de realizarlo no han sido satisfactorios debido a que han usado aproximaciones. Trabajando junto con su colega de St Andrews, Ulf Leonhardt, ha usado la Teoría de Lifshitz para lograr lo que afirma que es un cálculo exacto y demostrar que no existe fuerza lateral (arXiv:0810.3750v2, que aparecerá en New Journal of Physics).

Experimento mental

Para ilustrar la factibilidad de este resultado en términos muy generales, Philbin describe un experimento mental usando lo que llama un “medio bi-anisotrópico”. Éste es un material en el cual los campos eléctricos o magnéticos aplicados separadamente inducirán tanto dipolos magnéticos como dipolos eléctricos en el material, y tal medio en reposo es equivalente al de cierto tipo de material no bi-anisotrópico en movimiento.

Philbin considera entonces construir un tractor oruga a partir de este medio bi-anisotrópico y se imagina lo que sucedería cuando se colocan los tractores en algún otro medio arbitrario — al menos en los que respecta al electromagnetismo, dice, los tractores están en movimiento. Pasa a argumentar que si hay fricción cuántica estos tractores experimentarían una fuerza lateral y por tanto empezarían a moverse realmente, y continuarían moviéndose de forma indefinida, logrando por tanto lo imposible — extraer una energía ilimitada del vacío cuántico.

“Si existe la fricción cuántica se podría pensar en tratar de manipularla y lograr aplicaciones de ingeniería, tal y como hacen ahora los experimentadores con la fuerza de Casimir entre los objetos estáticos”, dice Philbin. “Pero dado que no existe, esta posibilidad desaparece”.

Pendry, no obstante, defiende su trabajo, manteniendo que ha derivado sus resultados usando dos líneas de argumentación completamente distintas, y que estas a su vez están respaldadas por investigaciones independientes. Además, dice que los efectos de la fricción cuántica han sido observados, aunque experimentalmente, en medidas de resistencia de un dispositivo que contiene dos transistores de efecto de campo un arriba y otro abajo separados por un hueco aislante muy pequeño.


Autor: Edwin Cartlidge
Fecha Original: 17 de marzo de 2009
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Comments (3)

  1. SIGRESMAN

    Hola Manu.

    Te has comido “John Pendry” en “Por ejemplo, ***** del Imperial College de Londres”

  2. SIGRESMAN

    Por tanto, siguiendo el razonamiento inverso de Philbin, si se demuestra experimentalmente que existe “rozamiento cuantico”, ¿eso implica que va a poder ser posible construir el movil perpetuo de 1ª especie, extrayendo energia del vacío cuántico?

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