Por qué el vacío no está vacío

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Adrian del Rio Vega, Universitat de València

Supongamos que estamos en un espectáculo de magia y que un mago nos proporciona una caja metálica y un detector de partículas para indagar en su interior. Abrimos la caja y comprobamos con nuestro detector que está totalmente vacía de partículas. Físicamente, diríamos que la caja se encuentra en su estado de mínima energía o estado vacío, pues no hay nada en su interior… Aparentemente.

Ahora el mago sella totalmente la caja y la introduce en un aparato que hace oscilar sus paredes con una frecuencia altísima. Después de unos segundos nos vuelve a dar la caja y al abrirla… ¡sorpresa! nuestro detector comienza a medir la presencia de partículas en el interior. La caja, inicialmente vacía y sellada durante todo el proceso, ya no está tan vacía. ¿Dónde está el truco?

“No hay ningún truco, es magia”, contestaría el mago.

La magia de la mecánica cuántica

Efectivamente, nuestra intuición nos dice que, si inicialmente no hay nada dentro de la caja, no puede producirse nada espontáneamente del vacío, como por arte de magia. “Algún truco tiene que haber”, pensaríamos al salir del espectáculo. Pues no, ni hay truco, ni es magia: es mecánica cuántica.

La teoría cuántica, como suele ser habitual, nos rompe todos los esquemas y evidencia que nuestra intuición está fuertemente construida sobre principios de física clásica.

En física cuántica, aún si un observador vaciara el interior de una caja de todo contenido material, de tal forma que no pudiéramos encontrar ni una sola partícula o fotón de luz dentro, el estado vacío resultante del sistema no está verdaderamente “vacío”, aunque parezca sorprendente. La caja está llena de lo que conocemos como “campos cuánticos” y, de hecho, dicho observador puede llegar a medir una energía diferente de cero en su interior.

Un campo de bolas

¿Qué es un campo cuántico?

Simplificando mucho, un campo cuántico puede entenderse como una red infinita de bolas virtuales que permean todo el espacio-tiempo. Estas bolas están interconectadas por resortes que permiten que la red vibre con diferentes modos de oscilación. En otras palabras: un campo cuántico puede entenderse como una colección infinita de osciladores armónicos acoplados y situados en cada punto del espacio-tiempo.

Dicho campo cuántico puede encontrarse en diferentes estados, cada uno de los cuales puede caracterizarse mediante el valor de su energía. Cuando el campo está en su estado de mínima energía decimos que se encuentra en su estado vacío. Pero dicho vacío no es igual si el campo está dentro o fuera de la caja.

Fuera de la caja

Si el campo está libre (sin las ligaduras que imponen las paredes de la caja del mago o cualquier otra interacción), los resortes que interconectan los osciladores armónicos se encontrarían en su estado de equilibrio o relajación, con energía potencial nula.

Debido a que cada oscilador puede tener una energía potencial no nula, este es el estado de mínima energía del campo libre, o estado vacío, cuyo valor de la energía podemos convenientemente fijar a cero.

Dentro de la caja

Ahora bien, la situación es distinta dentro de la caja metálica. En este caso las paredes pueden “tensionar” los resortes que acoplan a las infinitas bolas (los infinitos osciladores armónicos del campo cuántico) en comparación a cuando el campo está libre.

Dicha “tensión” hace que la energía potencial de cada uno de los osciladores sea distinta de cero. Como consecuencia, dentro de la caja un observador puede medir valores de energía no nulos incluso en el estado de mínima energía. Es más, medirá tanto más energía cuanto más pequeña sea la caja, pues más “tensionados” estarán los osciladores en su interior.

Esto es lo que se conoce como efecto Casimir (estático). La caja sigue estando vacía en el sentido clásico, pues no hay partículas en su interior, pero el estado vacío del campo se dice que está “tensionado” o “polarizado”, ya que el campo tiene una energía distinta a cuando está libre.

Por ejemplo, para una “caja” ideal constituida por dos placas metálicas paralelas de extensión infinita, la energía por unidad de volumen que predice la teoría cuántica de campos es: -hc/L⁴ (Pi/1440). En esta expresión “c” denota la velocidad de luz en vacío, “L” es la distancia entre placas y “h” es la constante de Planck. Como vemos, a menor separación de placas, mayor es la energía del vacío. La presencia de la constante de Planck es lo que indica que dicha energía tiene un origen genuinamente cuántico. En el límite clásico, h = 0, la energía del vacío es cero.

Pero… ¿cómo surgen las partículas?

Hasta ahora hemos hablado de energía. Pero ¡el detector ha encontrado partículas dentro de la caja! ¿Cómo explican los campos cuánticos la existencia de partículas en la caja del mago?

Si la red virtual de osciladores armónicos del campo cuántico (las infinitas bolas interconectadas) sufre una perturbación por algún agente externo, se pueden excitar modos de vibración u oscilación en la red. Estos modos se manifiestan, físicamente, en forma de ondas o partículas propagándose en el espacio-tiempo.

Esto es lo que ocurre, precisamente, con las oscilaciones de la caja producidas por la máquina del mago. Las paredes están acopladas a la red de osciladores y estimulan así dichas vibraciones sobre el propio campo. En otras palabras, las oscilaciones de la caja excitan al campo, que pasa del estado vacío a estados de mayor energía, llamados estados excitados o estados de partículas.

De esta manera, el truco de magia no sería más que un truco de física cuántica.

La creación espontánea de partículas

Este mecanismo dinámico de creación espontánea de partículas a partir del vacío cuántico se conoce como efecto Casimir dinámico y tiene profundas implicaciones físicas. Por ejemplo, al igual que las oscilaciones de las paredes de la caja, la expansión o contracción del propio espacio-tiempo es también capaz de excitar pares de partículas del vacío.

Este efecto cuántico se cree que podría ser el responsable de producir, durante la explosión del big bang cosmológico, toda la materia que abunda en nuestro universo. Pero esta es una gran historia para otro día.

Adrian del Rio Vega, Investigador Maria Zambrano en el Departamento de Física Teórica – IFIC, Universitat de València

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.


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