¿Algo de la nada? El vacío puede producir destellos de luz - principal


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Un vacío puede parecer vacío, pero los científicos han descubierto una nueva forma de obtener algo aparentemente de la nada, como luz. Y en última instancia, el hallazgo podría ayudar a los científicos a construir computadoras cuánticas increíblemente poderosas o a lograr un mejor conocimiento sobre los primeros momentos de la historia del universo

La física cuántica explica que existen límites a la precisión con que se puede conocer las propiedades de las unidades más básicas de la materia, por ejemplo, uno nunca puede saber absolutamente la posición de una partícula y su momento al mismo tiempo. Una consecuencia extraña de esta incertidumbre es que el vacío no está completamente vacío, sino que vibra con las llamadas “partículas virtuales” que constantemente saltan dentro y fuera de la existencia.

Estas partículas virtuales suelen aparecer en parejas que se anulan casi instantáneamente. Sin embargo, antes de que desaparezcan, pueden producir efectos muy reales en su entorno. Por ejemplo, pueden entrar y salir fotones —paquetes de luz— del vacío. Cuando se colocan dos espejos uno frente al otro en el vacío, pueden existir más fotones virtuales alrededor de la parte externa de los espejos que entre ellos, generando una fuerza aparentemente misteriosa que empuja a los espejos y tiende a juntarlos.

Este fenómeno, predicho en 1948 por el físico holandés Hendrick Casimir y conocido como el efecto Casimir, fue visto por primera vez con espejos estáticos. Los investigadores también predijeron que puede resultar un efecto Casimir dinámico cuando los espejos se mueven, o cuando los objetos sufren otros 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 aparezca luz de la nada.

La velocidad de la luz en el vacío es constante, según la teoría de la relatividad de Einstein, pero su velocidad al pasar a través de cualquier material depende de una propiedad de la sustancia 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 viajan los fotones reales y virtuales dentro de él. Lähteenmäki dice que uno puede pensar que este sistema es muy similar a un espejo, y si su espesor cambia suficientemente rápido, los fotones virtuales que se reflejan en su exterior pueden recibir suficiente energía del rebote como para convertirse en fotones reales. “Imagina que estás en una habitación muy oscura y de repente cambia el índice de refracción de la luz [de la habitación]”, dice Lähteenmäki. “La habitación comenzará a brillar.”

Los investigadores comenzaron con una serie de 250 dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o SQUIDs (superconducting quantum-interference devices), circuitos que son extraordinariamente sensibles a los campos magnéticos. Ellos insertaron el conjunto dentro de un sistema refrigerador. Aplicando cuidadosamente campos magnéticos en esta matriz, ellos podían variar en un pequeño porcentaje la velocidad a la que viajaban los fotones de microondas a través de ella. Los investigadores luego enfriaron este conjunto a 50 milésimas de grado centígrado por encima del cero absoluto. Debido a que este entorno es superfrío, no debería emitir radiación alguna, comportándose esencialmente como un vacío. “Nos hemos limitado a estudiar estos circuitos con la finalidad de desarrollar un amplificador, y lo hicimos”, dice el investigador Sorin Paraoanu, un físico teórico de la Universidad Aalto. “Pero entonces nos preguntamos, ¿y si no hay señal para amplificar ¿Qué pasa si la señal es el vacío?”.

Los investigadores detectaron fotones que cumplieron las predicciones del efecto Casimir dinámico. Por ejemplo, los fotones debían mostrar la extraña propiedad de entrelazamiento cuántico, es decir, al realizar la medición de los detalles de uno, los científicos podrían, en principio, saber exactamente cómo es su homólogo, no importa dónde esté en el universo, un fenómeno al que Einstein se refirió como “acción fantasmal a distancia”. Los científicos detallaron sus hallazgos on line el 11 de febrero en Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Este trabajo y una serie de otros trabajos recientes demuestran que el vacío no está vacío, sino lleno de fotones virtuales”, dice 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 ha demostrado recientemente el efecto Casimir dinámico en un sistema que simula un espejo en movimiento 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, quien 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 cambios muy rápidos que pueden tener efectos dramáticos en los campos electromagnéticos”, añade.

Los investigadores advierten que estos experimentos no constituyen una fórmula mágica para obtener más energía de un sistema. Por ejemplo, se necesita energía para cambiar el índice de refracción de un material.

En cambio, este tipo de investigación podría ayudar a los científicos a aprender más acerca de los misterios del entrelazamiento cuántico, que se encuentra en el núcleo de las computadoras cuánticas, avanzadas máquinas que podrían, en principio, ejecutar más cálculos en un instante que los átomos que hay en el universo. Los fotones de microondas entrelazados que generó el conjunto experimental “se pueden utilizar en una forma de computación cuántica conocida como procesamiento de información cuántica de ‘variable continua'”, dice Girvin. “Esta es una dirección que recién está empezando a abrirse.”

Wilson añade que estos sistemas “pueden ser utilizado 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 fueron casi a velocidad de la luz, o más rápido que la velocidad de la luz. Podríamos predecir que se habría producido entonces un poco de radiación Casimir dinámica, y podemos tratar de hacer simulaciones de esto.”

Así como el efecto Casimir estático implica que los espejos están quietos, el efecto Casimir dinámico puede implicar, por ejemplo, que los espejos que se mueven.

Fuente: Scientific American. Aportado por Eduardo J. Carletti

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