NeoFronteras

Unos estudios recientes nos recuerdan que el vacío no está tan vacío como a veces se puede llegar a pensar.

El vacío, al menos en Física, no es la nada. Incluso un vacío vaciado de espacio-tiempo no es la nada, al menos para algunas ideas conceptuales de gravedad cuántica. Desde hace más o menos un siglo los físicos han estado colocando cosas en el vacío, a veces de manera afortuna y otras veces no tanto, como en el caso del éter. La ya muy conocida por los lectores de NeoFronteras energía oscura no es más que otro ente que hemos añadido al vacío y todavía está por ver si al final realmente existe.
Pero la Mecánica Cuántica predice efectos del vacío que se han medido experimentalmente. Uno de ellos es el efecto Casimir, que dice que dos placas metálicas separadas a muy poca distancia en el vacío deben de experimentar una fuerza de atracción.
Este efecto se debe a que los modos de vibración de los fotones virtuales entre ellas están mucho más limitados que los modos de vibración de los fotones virtuales del exterior. Aquí “virtual” significa que mientras lo permita el principio de incertidumbre de Heisenberg pueden aparecer por un instante un par de partícula-antipartícula que luego desaparecen. El efecto Casimir se logró medir hace años y no hace falta decir que es muy débil. Sin embargo, este concepto es un viejo conocido de los antiguos marineros, cuando se dieron cuenta que si se colocaban dos veleros en paralelo muy juntos el oleaje hacía que al final chocaran entre sí. Hace tiempo se logró medir el efecto Casimir en el laboratorio.
Desde hace unos años se trabaja por conseguir el efecto Casimir repulsivo y para lograr esta meta se han propuesto diversas soluciones [1][2]. La idea es lograr una repulsión entre dos objetos que haga que uno levite sobre el otro gracias a estas fluctuaciones del vacío. Una de las soluciones que se propusieron en su día fue el uso de metamateriales que se insertarían en el espacio entre los dos objetos. Recordemos que los metamateriales son objetos nanoestructurados que tienen un índice de refracción negativo. No existen en la naturaleza y hay que fabricarlos artificialmente. Son los que están permitiendo, por ejemplo, crear las “capas de invisibilidad”.
Hace poco Stanislav Maslovski y Mário Silveirinha de la Universidad de Coimbra (Portugal) propusieron conseguir el efecto Casimir inverso sin necesidad de introducir ningún metamaterial [4]. En lugar de ello habría un substrato sobre el que levitaría una placa metálica perforada. Pero la superficie de ese substrato estaría cubierta de bastoncitos de 40 nanometros de ancho de plata al modo de las velas sobre una tarta. Los agujeros de la placa estarían geométricamente dispuestos del mismo modo que los bastones. Con esta configuración la placa sería repelida por el substrato debido a las fluctuaciones del vacío.

Pero el efecto Casimir convencional se debe a las fluctuaciones de punto cero, justo al cero absoluto, pero el campo electromagnético experimenta un aumento de las fluctuaciones térmicas a más altas temperaturas. En 1955 Evgeny Lifshitz predijo que estas fluctuaciones térmicas debían de tener un efecto similar sobre la presión de radiación dando lugar a una fuerza de Casimir térmica.
Ahora Alexander Sushkov y sus colaboradores de la Universidad de Yale han conseguido medir el efecto Casimir térmico por primera vez [4][5]. Para ello en lugar de usar dos placas paralelas han usado una esfera y una placa recubiertas de oro. La elección se debe a que es mucho más fácil alinear una esfera y una placa que dos placas paralelas perfectamente alineadas. La placa estaba montada sobre un péndulo de torsión para así medir la fuerza hacia la esfera.
Una vez corregidos los efectos residuales de las fuerzas electrostáticas, estos investigadores encontraron que la fuerza de Casimir de punto cero dominaba a distancias menores de 3 micras, como era de esperar, pero en lugar de decaer con el cubo del inverso de la distancia decaía mucho más lentamente, concretamente con el cuadrado de la distancia. Este resultado concuerda con la existencia de una fuerza de Casimir térmica.
Ahora estos investigadores están repitiendo este experimento para otros materiales incluyendo semiconductores.

Pero el vacío tiene, al parece, otros efectos igualmente interesantes que se podrían comprobar experimentalmente. Uno esperaría que una esfera en rotación en el vacío nunca dejaría de hacerlo debido a la ausencia de rozamiento o fricción, pero según Alejandro Manjavacas y F. Javier García de Abajo, del Consejo Superior de Investigaciones Científica (España), la esfera terminaría deteniéndose debido a los efectos del vacío cuántico [6]. Lo más interesante es que el efecto podría darse en los granos interestelares y que también podría ser detectable en el laboratorio.
Los fotones virtuales del vacío interaccionarían con el cuerpo en rotación de distinta manera dependiendo del sentido de giro y como resultado de esta interacción la velocidad de rotación disminuiría gradualmente. La energía perdida sería emitida como fotones reales que podrían ser detectables.
La intensidad del efecto depende del tamaño del objeto y su naturaleza. Materiales metálicos como el oro, que evitan la absorción de fotones, experimentarían un efecto nulo o casi nulo. Cuerpos en rotación masivos y grandes (con gran momento angular) tampoco experimentaría el efecto de manera apreciable. La temperatura también tendría su efecto y mayor temperatura mayor sería la fricción con el vacío.
Las partículas pequeñas y baja densidad, como los granos interestelares, sí notaría el efecto de manera rápida. A temperatura ambiente un típico grano interestelar de grafito de 100 nanometros necesitaría unos 10 años para pararse por fricción con el vacío, que serían sólo 90 días a 700 grados centígrados, pero necesitaría 2,7 millones de años en el frío espacio interestelar.
Aunque los requerimientos para realizar un experimento de laboratorio que mida este efecto son muy altos es de esperar que un experimento de este tipo se pueda realizar en un futuro.
Y es que el vacío no es la nada y tiene su influencia sobre el mundo material. Seguro que nos depara más sorpresas en el futuro.

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Fuentes y referencias:
Efecto Casimir en NeoFronteras.
Foto: Jay Penni / Federico Capasso.