¿Algo a partir de la nada? Un vacío puede arrojar destellos de luz

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Artículo publicado por Charles Q. Choi el 12 de febrero de 2013 en Scientific American

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

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.


Autor: Charles Q. Choi
Fecha Original: 12 de febrero de 2013
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