Primera observación del Efecto Casimir dinámico

Artículo publicado el 26 de mayo de 2011 en The Physics ArXiv Blog

Un espejo de movimiento rápido que convierte fotones virtuales en reales es la primera prueba experimental del Efecto Casimir dinámico.

“Una de las predicciones más sorprendentes de la teoría cuántica moderna es que el espacio vació no está vacío. De hecho, la teoría cuántica predice que está bullendo con partículas virtuales que aparecen y desaparecen”.

Efecto Casimir dinámico


Empecemos con Christopher Wilson de la Universidad Chalmers en Suecia y sus colegas con su maravillosamente legible artículos sobre una extraordinaria porción de ciencia.

Esta vorágine de actividad cuántica está lejos de ser benigna. Los físicos han sabido desde 1948 que si dos espejos planos se mantienen cerca y paralelos entre sí, son atraídos por estas partículas virtuales.

La razón es directa. Cuando el hueco entre los espejos es menor que la longitud de onda de las partículas virtuales, se ven excluidas de este espacio. La presión del vació dentro del hueco es menor que fuera y esto empuja a los espejos.

Éste es el Efecto Casimir estático y se midió por primera vez en 1998 por dos equipos de los Estados Unidos.

Pero hay otro fenómeno conocido como Efecto Casimir dinámico que nunca había sido observado.

Sucede cuando un espejo se mueve a través del espacio a velocidades relativistas. Esto es lo que sucede. A bajas velocidades, el mar de partículas virtuales puede adaptarse fácilmente al movimiento del espejo y continuar apareciendo en pares y luego aniquilándose entre sí.

Pero cuando la velocidad de los espejos empieza a acercarse a la de los fotones, en otras palabras, a velocidades relativistas, algunos fotones quedan separados de sus compañeros y no pueden aniquilarse. Estos fotones virtuales se convierten en reales y el espejo empieza a producir luz.

Ésta es la teoría. El problema en la práctica es que es muy difícil conseguir que un espejo común se mueva a velocidades relativistas.

Pero Wilson y compañía se han sacado un as de la manga. En lugar de un espejo convencional, han usado una línea de transmisión conectada a un dispositivo de interferencia cuántico superconductor, o SQUID. Con el truco de SQUID se cambia la longitud eléctrica efectiva de la línea, y este cambio es equivalente al movimiento de un espejo electromagnético.

Modulando el SQUID en el rango de GHz, el espejo se mueve atrás y adelante. Para tener una idea de la escala, la línea de transmisión es de apenas 100 micrómetros de largo y el espejo se mueve una distancia de apenas un nanómetro. Pero la tasa a la que lo hace significa que logra velocidades que se aproximan al 5 por ciento de la velocidad de la luz.

Por lo que al haber perfeccionado la técnica de movimiento del espejo, todo lo que Wilson y compañía tienen que hacer es enfriarlo y sentarse a buscar fotones. En efecto, han observado fotones de microondas emergiendo del espejo en movimiento, justo lo que predijeron.

Finalizan con una breve conclusión. “Creemos que estos resultados representan la primera observación experimental del Efecto Casimir dinámico”.

¡Un resultado impresionante!


Fecha Original: 26 de mayo de 2011
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Comments (30)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Artículo publicado el 26 de mayo de 2011 en The Physics ArXiv Blog Un espejo de movimiento rápido que convierte fotones virtuales en reales es la primera prueba experimental del Efecto Casimir dinámico. “Una de las prediccion…..

  2. Karlo

    A velocidades relativistas… ¿con respecto a qué? ¿El fondo cósmico de microondas? Porque no se me ocurre otro sistema de referencia, a menos que haya dos “espejos”.

    • jrv

      Velocidades relativistas son aquellas en las que una partícula en movimiento muestra efectos significativos de acuerdo con la Teoría Especial de la Relatividad.

      Velocidades relativas, que creo que fue lo que quisiste interpretar, son aquellas medidas con referencia a un marco (en esta frase, el CMB). La redacción es correcta.

      • Karlo

        Se perfectamente lo que es una velocidad relativista. Pero una velocidad siempre es respecto a algo. Y aquí no dice respecto a qué, esa era mi pregunta.

  3. jurl

    Mira que si el efecto Casimir “resucita” el modelo del estado estacionario del universo me iba a reír xD

  4. filosofete

    Ya ves jurl!!!

  5. El_tonto_del pueblo

    ¿Alguien puede explicar mejor esto del SQUID y por qué se asemeja a un espejo con velocidad relativista? Es que no lo entiendo….

    • jurl

      Un SQUID es un dispositivo que se conoce desde hace más de 50 años, es un magnetómetro (un instrumento para medir campos magnéticos), como es el más sensible que se conoce, suele tener mucha publicidad en su uso para medir los campos magnéticos de seres vivos (más concretamente, de sus neuronas, tejidos y sistemas nerviosos), de ahí que suelan salir bastante en medicina y neurología (magnetoencefalografía). SQUID es un acrónimo en inglés (dispositivo de interferencia cuántica por superconducción), supongo que con el propósito de coincidir con la palabra inglesa “squid”, calamar.

      El efecto Casimir no se diferencia mucho del principio de Arquímedes. Las partículas virtuales exteriores a la franja entre las láminas crean una presión mayor que las que se forman en el espacio entre éstas (en la franja), provocando así una fuerza hacia el interior (igual que el principio de Arquímedes, por presión hidrostática -gravitatoria en último término-, crea una presión mayor por la cara inferior del cuerpo sumergido, al estar a mayor profundidad, que por la cara superior, creando una fuerza neta hacia la superficie). Cuando este tinglado se mueve a efectos relativistas, se crea entonces un efecto Casimir dinámico que no sé qué no se entiende en el artículo, porque está perfectamente explicado.

      • EL_tonto_del_pueblo

        Bueno, lo que no entendia es porqué el hecho de conectar una línea de trasnmisión a un SQUID resulta equivalente a un espejo con velocidad relativista. Gracias Jurl.

        • jurl

          Es que no lo explican. En el original dice: “Fiddling with the SQUID changes the effective electrical length of the line and this change is equivalent to the movement of an electromagnetic mirror.”, que Kanijo ha traducido “Con el truco de SQUID se cambia la longitud eléctrica efectiva de la línea, y este cambio es equivalente al movimiento de un espejo electromagnético.”. Literalmente dice que “toquetean” o “juguetean” (fiddling) con el SQUID (que ponerlo así en castellano parecería de coña), pero lo que no dice es lo que hacen. Pero queda claro que crean un equivalente en forma de campo electromagnético de espejos de Casimir y observan fotones al hacerlo desplazarse a velocidades relativistas.

          A ti por preguntar, hombre.

  6. Muchísimas gracias por este blog. Estoy enganchada porque me interesa mucho la física pero, como cualquier persona que haya desarrollado sus aptitudes en otros campos, necesito que me expliquen las cosas de una manera más sencilla :)
    Un saludo!

  7. Helena Nito

    Así pues, una partícula relativista podría emitir fotones Casimir???

    Por otra parte, el efecto casimir tiene algo que ver con el efecto Unruh???

    De todas formas me parece que sabemos muy poco del vacío

  8. Un par de preguntas (quizás ingenuas por lo que pido clemencia).

    ¿Cómo afecta ésto a la ley de conservación de la energía?

    Es decir, ¿los fotones creados de la nada (fotón y antifotón) afectan al sistema? (haciendo que haga falta imprimir más energía al espejo de la que haría falta sin tal efecto).

    ¿O estamos “realmente” creando materia de la nada y la ley de conservación se mantiene porque la energía del fotón equilibra la del antifotón?.

    Si ésto es así ( +e + -e = 0 ), ¿no debería ser posible crear dos “pilas” (por decir algo), una de energía positiva y otra de energía negativa, dejando girar (o lo que haga falta) un espejo levitando en el vacío (fricción cero)?.

    ————————————

    La otra pregunta (quizás todavía más peregrina) es.

    Si yo soy el espejo y estoy girando, yo mismo no siento que esté girando. ¿Cómo entonces estoy separando los electrónes?. O, dicho de otra forma, ¿en base a qué sistema de referencia se están creando los fotones (y antifotones) para que el movimiento del espejo “los corte”?. (Porque no dicen que el espejo deba estar acelerado, sólo velocidad cercana a la luz; aunque el efecto Casimir se producirá seguro [aunque con mucha menos "intensidad"] a cualquier velocidad).

    —————————————

    En fin, seguro serán burradas, pero bueno, nunca he tenido reparos en preguntar.

  9. JuanK

    un fotón virtual se hace real??? pero eso no viola las leyes de la termodinámica, lo normal es que la energía que “usan” el par partícula antipartícula para surgir a la existencia es devuelta al sistema, cuando se aniquilan, y por su corta vida no violan la ley de la conservación, pero acá una partícula, se hace real, no hay “equilibrio” en eso, ¿qué le permite a esa partícula existir?, no es como la radiación de Hawking, la partícula que cae al AN tiene energía negativa, y el AN ya ha tragado materia, asi que es como que devuelve lo que se traga, pero en este efecto Casimir Dinámico, parece que se le regala una partícula al sistema (universo) de la nada, por nada… no entiendo, si alguien pudiera aclararme que pasa con las partículas separadas del par se lo agradecería enormemente, porque no entiendo na

    • NewZealander

      “Pero cuando la velocidad de los espejos empieza a acercarse a la de los fotones, en otras palabras, a velocidades relativistas, algunos fotones quedan separados de sus compañeros y no pueden aniquilarse. Estos fotones virtuales se convierten en reales y el espejo empieza a producir luz”.
      Me parece que cuando se separan quedan un fotón y antifotón que no pueden aniquilarse en sí, luego aunque se generen dos particulas de la nada (cosas de la cuántica) el balance ternodinámico permanece constante.
      Si no es así, que alguien nos explique como funciona la termodinámica cuántica

      • Sí, esa es mi segunda proposición (arriba), pero entonces es posible crear tanta energía de la nada como se quiera…

        Estaría genial que alguien nos aclare esta cuestión…

  10. Por otra parte, si dejamos quieto un espejo, la probabilidad de que el par de electrones virtuales (+e y -e) estén uno a cada lado del espejo no es cero (cuanto más grueso sea el espejo menos probable será, pero no es cero) y, es evidente que no se está generando energía a un lado y otro de cada espejo de mi casa, por tanto, me da que la duda que tenemos se resuelve teniendo en cuenta que los +e y -e se crean y anulan por parejas, ¡pero no tiene que ser con el mismo electrón con que se creó!.

    Así, la conservación de la energía se mantiene y supongo (aunque sigo teniendo la duda, obviamente ignorante de mí) que la energía aportada al movimiento del espejo es la causante de la producción de luz (haya más balance de unos electrones que de otros en la dirección del movimiento del espejo).

    En fin, estaría genial algún artículo que explique el tema éste un poco más en detalle.

    • Gerardo

      Creo que la posibilidad de que las particulas aparezcan a cada lado del espejo es nula, ya que la distancia entre la particula y su antiparticula es muy pequeña, y no creo que pueda crearse un espejo de ese ancho (¿atomico?)

      • Gerardo

        Tal vez pudiera pensarse de manera teorica (idealismo) pero no real

      • La probabilidad de que el par de electrones estén a cada lado del espejo puede ser muy pequeña, pero para poder asegurar que dado un espejo no habría efecto perceptible (es decir, no haya que esperar 1000 años para un suceso) también hay que tener en cuenta la ¿”tasa de creación de partículas virtuales”?.

        Ostras, mejor voy a dejar de elucubrar, cada vez aparecen cosas más raras (que para un neófito como yo parecen tener sentido), porque claro, ¿qué densidad de partícular virtuales “hay”? (en dónde, etc…. uffff).

  11. jurl

    Eh, calma. En el efecto dinámico, el balance de energía es favorable al universo como debe ser, porque, ¿de dónde sale la energía para acelerar al espejo a velocidades relativistas? Se puede entender este efecto (el Casimir dinámico) como un coste más para acelerar a velocidad relativista, por tanto no hay ninguna violación de nada termodinámico.

    En el Casimir “estático”, como apunté, es similar al principio de Arquímedes (gradientes de presión), y nadie en su sano juicio diría que el principio de Arquímedes viola la termodinámica.

  12. Alburton

    el balance de materia energia se conserva entiendo pq el vacio en si tenia energia que se ha transformado en el par parti-antiparticula.Lo que hacemos con este espejo es romper el ciclo habitual y no dejar al par “volveeer al vaaciiiiiiiiio”
    a)Se podria sacar energia en cualquier lugar del universo con esto?Cual es la densidad de energia del vacio?
    b) Y si nos cebamos y…deshinchamos el vacio qué? Seremos como especie capaces de llegar a poner en peligro el universo entero?

    • jurl

      ¿Pero no ves que es como si intentas sacar energía hundiendo un balón de playa en el agua y luego dejando que salga disparado fuera de ésta por el empuje? xD. Es un “efecto” curioso que tiene muchas aplicaciones (barcos, sin ir más lejos xD), pero ni se puede extraer energía de ahí ni creo que afecte demasiado a la estabilidad hidrostática de los océanos toda la flota mundial humana combinada (otra cosa es a nivel ecológico).

      • “¿de dónde sale la energía para acelerar al espejo a velocidades relativistas?”

        En el experimento sólo “piden” velocidad, no aceleración. Si, como ya comenté, se suspende un espejo en un vacío ingrávido (por eso de que no haya fricción) ¿la “separación” de partículas virtuales producirá un “frenado” (para conseguir el equilibrio buscado)?. Parece lo más razonable.

        Sin embargo, me sigue picando el tema de bajo qué marco se crean las partículas (¿porqué el espejo ha de estar en movimiento si en teoría las partículas se crean en cualquier sitio en cualquier momento?).

        Supongamos que nuestro sistema es únicamente el espejo en un vacío ingrávido (por ejemplo se encuentra suspendido a mitad de dos galaxias) ¿importa que esté girando? (recordemos que no está acelerado), si es sí ¿bajo qué marco de referencia se supone que debe girar?, si es no ¿no dará igual entonces (que no gire) aquí en la tierra?. Si aquí en la tierra sí importa, ¿qué hace que allí no importe y aquí sí?, ¿no se crean entonces las partículas virtuales en referencia a la tierra? (por ejemplo, el campo en el que se crean las partículas podría estar “polarizado/influído/…” por la tierra, etc…).

        En fin, elucubraciones…

        • jurl

          Hablamos del experimento en la Tierra. Para llevarlo a velocidades relativistas hay que acelerarlo hasta ahí, o, para evitar descuidos de rigor en el lenguaje, tenemos que incrementar su energía cinética de una forma bastante drástica. El origen del efecto está naturalmente en esa energía cinética, por tanto no se produce energía de la nada de ninguna manera. No estamos discutiendo específicamente sobre el efecto Casimir, o yo no al menos, simplemente estoy intentando mostrar que no existe, en absoluto, ninguna violación de las leyes de la termodinámica. Cualesquiera fotones que hayan sido observados, salen de pagar la factura de la luz del laboratorio.

          • Xoco

            Otra pregunta peregrina (me ha gustado el adjetivo): así, ni construyendo unos anillos alrededor un satélite planetario o planeta por ejemplo, o poniendo en órbita un satélite espejo con esta tecnología para intentar aprovechar la fuerza de la gravedad e intentar impulso adicional con placas solares y tal, digo ¿ni así se podría crear energía “barata” separando el par partícula/anti-partícula?

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