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