El vacío puede producir destellos de luz
Scientific.American.com .
Por Charles Q. Choi
El vacío puede parecer vacío, pero los científicos han descubierto una nueva forma de obtener algo aparentemente de la nada, como la luz. Y en última instancia, el hallazgo podría ayudar a los científicos a construir ordenadores cuánticos increíblemente poderosos o ayudar a entender algo más sobre los primeros momentos de la historia del universo.
La física cuántica explica que existen límites a cómo conocer con precisión las propiedades de las unidades más básicas de la materia, por ejemplo, el no poder saber absolutamente la posición de una partícula y su momentum al mismo tiempo. Una de las consecuencias extrañas de esta incertidumbre es que el vacío no está completamente vacío, sino que existe una especie de vibración de las llamadas "partículas virtuales" que constantemente saltan dentro y fuera de la existencia.
Estas partículas virtuales suelen emerger en pares que casi instantáneamente se anulan. Sin embargo, antes de que desaparezcan, pueden tener efectos muy reales en su entorno. Por ejemplo, los fotones pueden aparecer y desaparecer de un vacío. Cuando dos espejos se colocan uno frente al otro en un vacío, la mayoría de los fotones virtuales pueden existir en torno al espacio exterior que hay entre ambos espejos, generando una fuerza aparentemente misteriosa que empuja a los espejos juntos.
Este fenómeno, predicho en 1948 por el físico holandés Hendrick Casimir, se conoce como el efecto Casimir, que fue visto por primera vez con espejos mantenidos inmóviles. Los investigadores también predijeron un efecto Casimir dinámico que también podía darse cuando los espejos se mueven, o dicho de otra manera cuando los objetos sufrían cambios. Ahora, el físico cuántico Pasi Lähteenmäki de la Universidad Aalto, en Finlandia, y sus colegas, revelan que variando la velocidad a la que puede viajar la luz, pueden hacer que ésta aparezca de la nada.
La velocidad de la luz en el vacío es constante, según la teoría de la relatividad de Einstein, pero su velocidad de paso a través de cualquier material dado depende de una propiedad conocida como índice de refracción. Mediante la variación del índice de refracción de un material, los investigadores pueden influir en la velocidad a la que los fotones reales y virtuales viajan dentro de dicho material. Lähteenmäki dice que uno puede pensar en este sistema como algo muy similar al de un espejo, si se cambia su espesor lo suficientemente rápido, los fotones virtuales reflejados pueden recibir la suficiente energía de rebote para convertirse en fotones reales. "Imagina que permaneces en una habitación muy oscura, y de repente cambia el índice de refracción de la luz en la habitación", explica Lähteenmäki. "La habitación entonces comenzará a brillar."
Los investigadores comenzaron con una serie de 250 dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o SQUD, que son extraordinariamente sensibles a los campos magnéticos. Se insertan en una matriz dentro de un refrigerador. La fuerza de estos campos magnéticos en esta matriz, podían variar la velocidad a la que los fotones de microondas viajaban a su través en un pequeño porcentaje. Más tarde enfríaron esta matriz a 50 milésimas de grados Celsius por encima del cero absoluto. Debido a que este medio ambiente es superfrío, no debería emitir radiación alguna, básicamente se comporta como un vacío. "Nos hemos limitado a estudiar estos circuitos, con la finalidad de desarrollar un amplificador, y lo hicimos", apunta el investigador Sorin Paraoanu, un físico teórico de la Universidad Aalto; "pero entonces nos preguntamos, ¿y si no hay señal que amplificar? ¿Y qué ocurre si el mismo vacío es una señal?"
Los investigadores detectaron fotones que encajaban con las predicciones del efecto Casimir dinámico. Por ejemplo, estos fotones deberían mostrar esa extraña propiedad del entrelazamiento cuántico, es decir, que mediante la medición de los detalles de uno, los científicos podrían, en principio, saber exactamente cómo es su homólogo, no importa en qué lugar esté del universo, esto es un fenómeno al que Einstein se refería como la "acción fantasmal a distancia". Los científicos detallaron sus hallazgos el 11 de febrero en Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Este trabajo y una serie de otros recientes trabajos demuestran que el vacío está lleno de fotones virtuales", afirma el físico teórico Steven Girvin la Universidad de Yale, que no participó en el estudio de Aalto.
La física cuántica explica que existen límites a cómo conocer con precisión las propiedades de las unidades más básicas de la materia, por ejemplo, el no poder saber absolutamente la posición de una partícula y su momentum al mismo tiempo. Una de las consecuencias extrañas de esta incertidumbre es que el vacío no está completamente vacío, sino que existe una especie de vibración de las llamadas "partículas virtuales" que constantemente saltan dentro y fuera de la existencia.
Estas partículas virtuales suelen emerger en pares que casi instantáneamente se anulan. Sin embargo, antes de que desaparezcan, pueden tener efectos muy reales en su entorno. Por ejemplo, los fotones pueden aparecer y desaparecer de un vacío. Cuando dos espejos se colocan uno frente al otro en un vacío, la mayoría de los fotones virtuales pueden existir en torno al espacio exterior que hay entre ambos espejos, generando una fuerza aparentemente misteriosa que empuja a los espejos juntos.
Este fenómeno, predicho en 1948 por el físico holandés Hendrick Casimir, se conoce como el efecto Casimir, que fue visto por primera vez con espejos mantenidos inmóviles. Los investigadores también predijeron un efecto Casimir dinámico que también podía darse cuando los espejos se mueven, o dicho de otra manera cuando los objetos sufrían cambios. Ahora, el físico cuántico Pasi Lähteenmäki de la Universidad Aalto, en Finlandia, y sus colegas, revelan que variando la velocidad a la que puede viajar la luz, pueden hacer que ésta aparezca de la nada.
La velocidad de la luz en el vacío es constante, según la teoría de la relatividad de Einstein, pero su velocidad de paso a través de cualquier material dado depende de una propiedad conocida como índice de refracción. Mediante la variación del índice de refracción de un material, los investigadores pueden influir en la velocidad a la que los fotones reales y virtuales viajan dentro de dicho material. Lähteenmäki dice que uno puede pensar en este sistema como algo muy similar al de un espejo, si se cambia su espesor lo suficientemente rápido, los fotones virtuales reflejados pueden recibir la suficiente energía de rebote para convertirse en fotones reales. "Imagina que permaneces en una habitación muy oscura, y de repente cambia el índice de refracción de la luz en la habitación", explica Lähteenmäki. "La habitación entonces comenzará a brillar."
Los investigadores comenzaron con una serie de 250 dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o SQUD, que son extraordinariamente sensibles a los campos magnéticos. Se insertan en una matriz dentro de un refrigerador. La fuerza de estos campos magnéticos en esta matriz, podían variar la velocidad a la que los fotones de microondas viajaban a su través en un pequeño porcentaje. Más tarde enfríaron esta matriz a 50 milésimas de grados Celsius por encima del cero absoluto. Debido a que este medio ambiente es superfrío, no debería emitir radiación alguna, básicamente se comporta como un vacío. "Nos hemos limitado a estudiar estos circuitos, con la finalidad de desarrollar un amplificador, y lo hicimos", apunta el investigador Sorin Paraoanu, un físico teórico de la Universidad Aalto; "pero entonces nos preguntamos, ¿y si no hay señal que amplificar? ¿Y qué ocurre si el mismo vacío es una señal?"
Los investigadores detectaron fotones que encajaban con las predicciones del efecto Casimir dinámico. Por ejemplo, estos fotones deberían mostrar esa extraña propiedad del entrelazamiento cuántico, es decir, que mediante la medición de los detalles de uno, los científicos podrían, en principio, saber exactamente cómo es su homólogo, no importa en qué lugar esté del universo, esto es un fenómeno al que Einstein se refería como la "acción fantasmal a distancia". Los científicos detallaron sus hallazgos el 11 de febrero en Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Este trabajo y una serie de otros recientes trabajos demuestran que el vacío está lleno de fotones virtuales", afirma el físico teórico Steven Girvin la Universidad de Yale, que no participó en el estudio de Aalto.
Otro estudio del físico Christopher Wilson, y sus colegas, han demostrado recientemente el efecto Casimir dinámico en un sistema que simula un espejo, moviéndose a casi el 5 por ciento de la velocidad de la luz. "Es agradable ver una confirmación adicional de este efecto y ver que esta área de investigación continúa", dice Wilson, ahora en la Universidad de Waterloo en Ontario, que tampoco participó en el estudio de Aalto. "Sólo recientemente la tecnología ha avanzado hacia un nuevo régimen técnico de experimentos en los que podemos empezar a ver los cambios muy rápidos que pueden tener efectos drásticos sobre los campos electromagnéticos", añade.
Los investigadores advierten que estos experimentos no constituyen una fórmula mágica para obtener más energía de un sistema de la que ingresa. Por ejemplo, se necesita energía para cambiar el índice de refracción de un material.
En cambio, este tipo de investigación sí puede ayudar a los científicos a aprender más acerca de los misterios del entrelazamiento cuántico, lo cual se halla en el centro de las computadoras cuánticas avanzadas, que podrían ejecutar, en principio, más cálculos en un instante que átomos hay en el universo. Los fotones entrelazados de microondas generados en el experimento "se pueden utilizar en una forma de computación cuántica conocida como la “variable continua” del procesamiento de información cuántica", dice Girvin. "Esta es una dirección que está empezando a abrirse."
Wilson añade que estos sistemas "pueden ser utilizados para simular algunas situaciones interesantes. Por ejemplo, hay predicciones de que durante la inflación cósmica en el universo temprano, los límites del universo en expansión iban a casi la velocidad de la luz, o incluso, más rápido que la velocidad de la luz. Podríamos predecir la radiación de Casimir dinámica producida entonces e intentar hacer simulaciones de ello."
Así pues, el efecto Casimir estático implica espejos inmóviles, y el dinámico implica que los espejos se mueven.
Imagen: Wikimedia Commons / Emok, MissMJ
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