NeoFronteras

Observan el efecto Casimir dinámico

Área: Física — martes, 7 de junio de 2011

Según la Mecánica Cuántica un espejo moviéndose a velocidades relativistas es capaz de crear luz a partir del vacío. Se ha logrado construir un análogo electromagnético para demostrar este efecto experimentalmente.

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La nada probablemente no se dé, así que discutir o hablar sobre la nada seguro que no es muy fructífero desde el punto de vista intelectual. Sin embargo, el concepto de vacío ha sido muy discutido en Física desde hace siglos y ha dado lugar a grandes avances en la ciencia, desde los estudios en la antigua Grecia sobre la clepsidra, pasando por el barómetro de Torricelli hasta llegar a la Mecánica Cuántica. De hecho, uno de los grandes argumentos en contra de las cuerdas es precisamente la gran cantidad de estados de vacío que “predice”.
La Teoría Cuántica de Campo sostiene que si extraemos toda la materia ordinaria de una región de espacio, el vacío que queda no es nada aburrido, allí siempre hay algo. El propio espacio tiene la propiedad de crear pares de partículas de la nada que tienen existencia durante el breve tiempo permitido por el principio de incertidumbre. El vacío, por tanto, contiene fluctuaciones cuánticas continuamente y esas fluctuaciones, esas partículas virtuales que aparecen y desaparecen, tienen una influencia sobre todo lo demás.
Esa influencia se puede calcular teóricamente y medir experimentalmente. Así por ejemplo, el desplazamiento Lamb de los espectros atómicos o la modificación del momento magnético del electrón tienen su origen en esas fluctuaciones del vacío. Esta renormalización del vacío es ahora básica en nuestra compresión del Universo y es usada para tratar de demostrar conceptos como la supersimetría, porque esas hipotéticas partículas supersimétricas también deben de aparecer en esas fluctuaciones y tener su influencia sobre todo lo demás (hasta el momento esto no ha sido visto con éxito).
Hace 40 años G. Moore propuso que si un espejo se movía a velocidad relativista en el vacío se generarían fotones reales (en contraposición a los virtuales) que podrían verse directamente. Según predice la teoría cuántica, un espejo que se mueve muy rápido puede absorber energía de los fotones virtuales en su superficie y reemitir esa energía como fotones reales, pero el efecto sólo se da si la velocidad de movimiento es comparable a la de la luz, cosa que hoy en día no se puede hacer con un dispositivo mecánico. Digamos que se podía generar luz de “la nada”. Es lo que se llamó efecto Casimir dinámico.
El efecto Casimir normal fue propuesto por primera vez por Henrik Casimir en 1948 y no fue medido experimentalmente con precisión hasta 1997. Según este efecto si se colocan dos placas metálicas muy cerca entre sí, se estable una presión de radiación que fuerza a las placas a juntarse. Cuando se dispone de dos placas metálicas de este modo se establece una cavidad en la que las fluctuaciones del interior, al sentirse constreñidas, producen menor presión de radiación que las fluctuaciones del exterior. El resultado es que aparece una fuerza neta que trata de juntar las placas.
El efecto Casimir puede ser explicado como un mal emparejamiento de los modos del vacío en el espacio. El efecto Casimir dinámico surge del mal emparejamiento de los modos en el tiempo. Según se mueve el espejo cambia la estructura de los modos espaciales del vacío.

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Esquema del montaje. Fuente: C.M. Wilson y colboradores.

Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Goteburgo (Suecia) han logrado observar el efecto Casimir dinámico gracias al uso de circuitos superconductores.
El circuito usado en el experimento consiste en una línea de transmisión coplanar con una longitud eléctrica que puede ser cambiada muy rápidamente. De este modo se evita tener que mover objetos mecánicos a velocidades relativistas, ya que es mucho más fácil mover la definición espacial de un campo electromagnético. Esa longitud se cambiada mediante la modulación de la inductancia de un SQUID a altas frecuencias (del orden 10 GHz). Es el SQUID el que actúa como si fuera un espejo al hacerse pasar un campo magnético a su través. Si se invierte ese campo miles de millones de veces por segundo se consigue que el sistema oscile a un 5% la velocidad de la luz, y entonces se producen luz (en realidad fotones de microondas)
Un SQUID es un sistema de interferencia cuántico superconductor basado en uniones Josephson. Esto de las uniones Josephson es otra maravilla de la Física. Si separamos dos superconductores por un aislante muy fino se produce un efecto túnel tal que los pares de Cooper son capaces de pasar al otro lado. A diferencia del efecto túnel normal, en el que hay una probabilidad no nula y menor que 1 de que una partícula atraviese una barrera, en este caso tal cosa se da con probabilidad 1 (es decir, siempre se da).
En un SQUID se montan dos de esas uniones en un aro superconductor de tal modo que el sistema de supercorrientes es muy sensible a los campos magnéticos.
Además de observarse la creación de fotones reales, en este experimento sobre el efecto casimir dinámico, se observó que el promedio de la frecuencia de los fotones es justo la mitad de la frecuencia empleada para hacer oscilar el sistema, cosa que precisamente era predicha por la Mecánica Cuántica.
John Pendry, físico teórico en Imperial College London y no involucrado en el estudio, ha declarado que el experimento es uno de los más inusuales de los últimos años en probar la Mecánia Cuántica y es un logro significativo. Federico Capasso, físico experimental en Harvard University, ha dicho que es un desarrollo muy importante. Este investigador espera que en un futuro se pueda hacer oscilar mecánicamente un nanoespejo hasta velocidades relativistas y que se pueda observar el mismo efecto.
Los resultados han sido publicados en ArXiv y se presentarán próximamente en un congreso en Padua, pero los investigadores se han negado a hacer declaraciones hasta que los resultados sean revisados por el sistema habitual en la ciencia (revisión de pares).
Aunque el experimento es muy satisfactorio desde el punto de vista teórico, tiene pocas aplicaciones prácticas, si las tiene. Y de momento no puede ser usado para extraer energía del vacío que soluciones nuestros problemas energéticos o posibilite el vuelo interestelar a velocidades relativistas.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3515

Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.
Artículo en ArXiv.
Efecto Casimir inverso produciría levitación.
Logran medir un análogo clásico del efecto Casimir
Moléculas Casimir.
Vacío no tan vacío.
Ilustración superior: Phil M Rogers / Alamy.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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9 Comentarios

  1. NeoFronteras:

    Bueno, sacrificamos la esfericidad del electrón e improvisamos algo sobre el efecto Casimir dinámico.

  2. joabbl:

    Muy raro. Está claro que el “vacío” no es la “nada”. Probablemente la nada no exista. Me recuerda al extraño efecto Unruh, que también tiene que ver con el vacío y según el cual un observador acelerado verá una radiación misteriosa que surge de la nada. No tengo claro si este fenómeno ha sido observado alguna vez o si viola el principio de equivalencia, pero todo esto es muy raro.

    Saludos

  3. Miguel Angel:

    Esperemos la revisión en Italia…muy interesante.

    Voy a ver si encuentro algo sobre lo que dice joabbl.

  4. tomás:

    Estimado joabbl:
    Que la nada no exista, parece de cajón lógico-idiomático, pero antes definamos la nada. Si la concebimos como espacio -ya empezamos a ser contradictorios al suponerla espacio, que es algo- sin objetos, ni radiaciones, sin gradientes, pero capaz de admitir en su seno cualquier cosa, entonces puede darse ese lugar y sería -imagino- infinito y ajeno al Universo, porque si perteneciera a este, habría que llamarle vacío, que sí es espacio y que posiblemente no existe sin esas cosas que negamos a la nada. Si el Universo se expande y no es infinito, ha de hacerlo a costa de esa nada, no del vacío, que de existir, estaría en él.
    Ahora bien, habría que definir también el existir. Por eso hablo de estar más que de ser.
    Es, pero no está. Está, pero no es. ¿Como poner SC en la MC? ¡Olvidando la intuición que nos lleva al equívoco!
    -Deja de imaginar, olvida especular: ¡calcula y calla!, -me dice irritado Heisenberg y repite Born. Contra sus tumbas arrojo el único gato de Srchödinger, simultáneamente, a uno vivo, al otro muerto, pero no consigo saber a quien le ha tocado cual.
    ¡Qué lío!
    Un incierto abrazo .

  5. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    El concepto de vacío se puede extender (y se ha extendido) más allá de un espacio carente de contenido. Se ha especulado con que una fluctuación de vacío dio lugar al espacio y al tiempo, al igual que las fluctuacines del vacío convencional crea partículas. Obviamente este vacío tampoco es la nada aunque algunos lo llamen así, tendría propiedades y una física. Lamentablemente como no tenemos una teoría cuántica de la gravedad no sabemos prácticamente ningún detalle del mismo.

  6. tomás:

    Bien, estimado Neo. Pero, en mi profana opinión sólo llamo vacío a un espacio carente de cualquier cosa, pero que es espacio. Muy posiblemente esto no exista. En el artículo te refieres a “…si extraemos toda la materia ordinaria de una región del espacio…”, pero ese vacío aunque pueda estar muy lejos de cualquier estrella, sigue atravesado por débiles fuerzas gravitatorias, por ejemplo. En él hay algo, incluso aunque sólo sea la posibilidad de alguna energía desconocida, posiblemente esa energía oscura, o de que en él se den fluctuaciones, imagino que te refieres precisamente al efecto Casimir. Habría que llamarle de otra forma a ese vacío para evitar equívocos, porque la simple presencia de esas placas, o del espejo, ya introduce masa, con sus propiedades que van más allá de sus límites materiales.
    Una de las cosas que me parecen más aceptables es precisamente el efecto Casimir, pero las frases “El propio espacio tiene la propiedad de crear pares de partículas de la nada … El vacío, por tanto, contiene…” resulta francamente imprecisas. Los efectos de la radiación Hawking algo más allá de los límites del horizonte de sucesos, no se dan en mi concepto de vacío, sino, como mucho, en el que te refieres, exento de materia, cualquiera que sea y al que creo, como digo, que habría que llamar de otra manera.
    ¡Cuanto me gustaría estar a tu altura o aunque fuera unos escalones por debajo -pero no demasiados- en el conocimiento de la MC! Pero esa falta tiempo, el que para mi no existe, me impide adentrarme en esa ilusión. Aunque es un proyecto que espero llegar a atender.
    Mil gracias por tus observaciones y un admirativo saludo.

  7. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Si nos ponemos a debatir sobre el lenguaje estaremos entonces perdidos. Un vacío (vacuum) también puede puede ser un algo al que también se le ha desprovisto de espacio. Un estado de vacío con cierta física que puede cambiar a otro estado y que puede ser “llenado” de espacio.
    Ciertas teorías predicen incluso la existencias de muchos de estos vacíos (vacua) o estados de vacío que incluso pueden tener sus propias leyes de la Física.
    Debería de haber una función de ondas similar a la estándar de la MC cuyos valores esperados dieran estados de espacio. Pero de nuevo hay que recordar que carecemos de una teoría consistente de ese tipo.
    En cuanto a la nada mencionada en el post, hay que buscar un equilibrio entre rigor, precisión, amenidad, vulgarización, etc. Y a veces no es sencillo, sobre todo cuando nos acercamos a esa frontera del conocimiento más allá de la cual no sabemos muy bien lo que hay. Recuerde que nunca tenemos respuestas para las “últimas preguntas”.

  8. ROBERTO CASTRO GARCIA:

    Estimados amigos la discusión sobre la existencia del vacío tiene milenios, hoy en día creemos tener gracias a la física cuantica una idea que niega la existencia real del vacío, recuerden que no tenemos acceso a la verdad absoluta sino sólo a aproximaciones a esta, a esas aproximaciones les llamamos teorías;las discusiones sobre el vacío nos llevan a las de la realidad es decir la naturaleza del Universo. Este está auto-contenido o se contiene en otra COSA. Si estuviese autocontenido la realidad no tendría porque ser discreta sino continua y el vacío o la nada podrian ser reales. Este experimento al igual que su antecesor el efecto casimir nos demuestran que la nada necesita dibujarse en una tela que llamamos espacio; cuando tratamos de ver está nada, descubrimos pares de particulas virtuales y cuando vemos algo un electron ó un átomo sabemos que están pintados sobre su respectivo par: positron o anti-átomo (por abreviar lo de anti-protones y anti-neutrones. Quizas este camino de interpretación de lo cuántico sea hoy minoritario pero verán como llegaremos a él conforme sigamos encontrando caminos sin salida. Por último una pequeña observación antes que aparezcan los que digan poder usar estos principios para viajes lumínicos, recuerden que se INVIERTE MAS ENERGÍA en lograr esta luz que la que podemos obtener de ella.

  9. tomás:

    Estimado Neo:
    Me dices que si nos ponemos a debatir sobre el lenguaje, estamos perdidos. No debatamos, pero hemos de precisar los conceptos. Tú mismo lo haces inmediatamente.
    Un saludo cordial.

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