Cámara de vacío utilizada para simulaciones astronómicas (Fuente de la imagen: NASA)
Antes que nada, un bombazo: cuando la maestra de secundaria dijo que nada existe en el vacío, simplificó esta información por razones pedagógicas. Para el contenido que se enseña en el aula, esta afirmación suele ser más que suficiente. Pero lo cierto es que como muchas otras materias que se tratan en la universidad, esta también esconde secretos estudiados en materias avanzadas de la disciplina. Prueba de ello son los experimentos reportados en el artículo «Vacuum Packed», artículo publicado en la revista New Scientist el 18 de febrero de 2012.
Aunque no hay materia en el vacío, la física cuántica tiene en cuenta que estas regiones contienen una cantidad mínima de energía, además de campos electromagnéticos y gravitatorios. Por lo tanto, el vacío no puede considerarse completamente vacío.
Además, en estos espacios también hay presencia de partículas y antipartículas que se forman y destruyen todo el tiempo. Estas extrañas «pequeñas criaturas» del zoológico cuántico, llamadas partículas virtuales (o antipartículas), no pueden detectarse individualmente. Sin embargo, son capaces de producir reacciones medibles, como el efecto Casimir. Este «parpadeo» de partículas se conoce como fluctuación del vacío cuántico.
Comprender el efecto Casimir
Ondas de vacío actuando sobre las placas metálicas del efecto Casimir (Fuente de la imagen: Wikimedia Commons)
En 1948, el físico holandés Hendrik Casimir trató de entender cómo existían los coloides, es decir, cómo se mantenía una mezcla en la que un tipo de sustancia se dispersa en otra, como los glóbulos de grasa en la solución acuosa de la leche, por ejemplo. Las fuerzas entre las moléculas en tal medio decaen más rápidamente con la distancia de lo que permitiría el cálculo tradicional basado en la fuerza de van der Walls.
Para llegar a una solución adecuada al problema, Casimir siguió el consejo del físico cuyo trabajo fue fundamental para la creación de la física cuántica, Niels Bohr: considerar la acción del vacío existente entre las moléculas de la mezcla. Obviamente, sería imposible calcular la fluctuación de energía en la compleja estructura molecular de un coloide. Por lo tanto, a Casimir se le ocurrió un modelo más simple: dos placas de metal perfectamente alineadas, flotando en el vacío.
Como el vacío está lleno de campos de ondas que contienen energía, la longitud de estas ondas termina siendo más restringida entre las dos placas, provocando que aparezcan menos partículas en ese espacio. Como resultado, la densidad de energía entre las dos placas es menor que en el espacio abierto, lo que crea una diferencia de presión que empuja una placa contra la otra.
Fluctuación cuántica visualizada en el efecto Casimir (Fuente de la imagen: Wikimedia Commons)
Sin embargo, esta fuerza es muy débil: dos placas separadas por 10 nanómetros sienten una fuerza comparable al peso de la atmósfera sobre nuestras cabezas. Por lo tanto, es muy difícil probar la existencia de esta fuerza, ya que puede ser alterada por fuerzas mucho mayores que actúan sobre la misma mezcla.
No fue hasta 1996 que Steven Lamoreaux, físico de la Universidad de Washington en los Estados Unidos, logró aislar con mucho cuidado todos los demás efectos que podían actuar sobre el experimento y, de esta manera, encontró una diminuta fuerza residual. actuando sobre una placa de metal y una lente esférica, empujándose una contra la otra. De esta forma, parecía probado que la acción del vacío era real.
A partir de ahí, otras experiencias muy intrigantes empezaron a cambiar nuestro concepto de “nada”. Lamoreaux y su equipo también confirmaron, por ejemplo, que las fluctuaciones del vacío cuántico aumentan a medida que aumenta la temperatura. Pero nos esperaban hazañas aún más intrigantes.
¡Y que haya luz!
Impresión artística del experimento que creó fotones a partir del vacío (Fuente de la imagen: Physorg)
En noviembre de 2011, científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia decidieron utilizar las ideas del efecto Casimir en la dirección opuesta, tal como lo propuso el físico estadounidense General Moore en 1970: si pudiéramos mover rápidamente dos espejos uno contra el otro, los cuantos fluctuantes en el espacio entre ellos podría ser aplastado tan violentamente que su energía sería liberada como fotones. La teoría se conoció como el efecto Casimir dinámico.
En la práctica, incluso un espejo muy pequeño no se podía mover tan rápido, por lo que el físico Chris Wilson y su equipo propusieron algunos cambios a las ideas de Moore para ponerlas en práctica: usaron corrientes eléctricas que varían rápidamente para simular el efecto de los espejos. que podría acelerarse a aproximadamente ¼ de la velocidad de la luz. El resultado fue el esperado: producción de pares de fotones que surgieron del vacío y pudieron medirse como radiación de microondas.
Pero al igual que la existencia del efecto Casimir, en ese momento el experimento también fue refutado por otros físicos, quienes no creen que el experimento realmente simule las ideas de Moore. Wilson se defiende diciendo que el experimento se llevó a cabo con todas las precauciones y pruebas necesarias, incluida la prueba de que realmente partieron de un estado de vacío. Y, en una entrevista con la revista New, aprovechó la coyuntura para atacar a sus rivales: “para algunos, el efecto Casimir dinámico será siempre un verdadero espejo que se mueve rápidamente”.
Igual que el efecto Casimir, pero al revés
Revertir el efecto Casimir podría proporcionar engranajes sin fricción (Fuente de la imagen: EE veces)
Otro experimento curioso fue realizado por Steven Johnson y sus colegas en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Calcularon que el efecto Casimir podría invertirse, es decir, en lugar de actuar como una especie de pegamento para dos objetos a nanoescala, podría usarse para ejercer una contrapresión, es decir, alejar un objeto de otro.
Para ello, los físicos cambiaron la forma de las placas de metal, agregando estructuras entre ellas que se asemejan a los dientes de una cremallera. Esto, en teoría, haría que la fuerza entre ellos fuera repulsiva. En un estudio más reciente realizado en la Universidad de Coimbra en Portugal, los investigadores Stanislav Maslovski y Mário Silveirinha plantearon la hipótesis de un efecto similar al usar «nanovarillas» de metal que creaban una fuerza repulsiva capaz de hacer levitar nanobarras metálicas.
En la práctica, este efecto podría, por ejemplo, conducir a la creación de engranajes y motores a nanoescala capaces de operar sin fricción entre las partes. Sin embargo, ponerlo en práctica implicaría el desarrollo de nuevas herramientas, capaces de alinear estas nanopartículas de manera que el vacío entre sus átomos no provoque fluctuaciones cuánticas actuando en diferentes direcciones.
Vacío y escepticismo científico
(Fuente de la imagen: iStock)
De esta forma, es posible deducir que los experimentos realizados en los últimos años han dado más credibilidad a las teorías de hace décadas, demostrando que las fluctuaciones cuánticas y el efecto Casimir son reales. A pesar de esto, no todos los físicos se adhirieron a esta idea.
Muchos investigadores que argumentan en contra de la existencia del efecto Casimir o la fluctuación del vacío cuántico afirman que estos temas se han vuelto populares porque las matemáticas detrás de ellos son bastante simples. Para Julian Schwinger, ganador del Premio Nobel de Física en 1965, estos efectos ocurren debido a la interacción cuántica entre las cargas de la materia, no involucrando al propio vacío.
También podría ser que la prueba de estos fenómenos sea una especie de paradoja: la existencia de la energía del vacío solo puede probarse añadiéndole materia, y con eso se corre el riesgo de distorsionar los experimentos. Mientras tanto, Chris Wilson, quien creó la luz desde cero, espera que otros grupos de investigación puedan verificar los datos encontrados por su equipo y brindar más apoyo a la posibilidad de que ciertos fenómenos sean realmente reales.
A pesar de lo tedioso que es el proceso de prueba, es este escepticismo latente lo que hace que la ciencia sea tan confiable. En última instancia, eso es algo bueno, ya que podría conducir a experiencias más intrigantes como estas para informar en el futuro.