Se observan, tal vez, extrañas fluctuaciones cuánticas del espacio vacío

Artículo publicado por Adrian Cho el 1 de octubre de 2015 en Science Magazine

El espacio vacío es de todo menos vacío, de acuerdo con la mecánica cuántica: en lugar de la nada, bulle con partículas cuánticas que aparecen y desaparecen continuamente. Ahora, un equipo de físicos afirma haber medido directamente dichas fluctuaciones, sin perturbarlas o amplificarlas. Sin embargo, otros dicen que no está claro qué mide exactamente el nuevo experimento — que podría encajar con un fenómeno que se origina en el famoso principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.

“Existen muchos experimentos que han observado los efectos indirectos de las fluctuaciones del vacío”, señala Diego Dalvit, teórico en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, que no estuvo implicado en el trabajo actual. “si éste [nuevo experimento] es correcto, sería la primera observación directa de [las fluctuaciones] de campo”.

Experimento sobre fluctuaciones del vacío Crédito: Adaptado de C. RIEK ET AL., SCIENCE (2015)

Gracias al principio de incertidumbre, el vacío bulle con pares de partículas-antipartículas que aparecen y desaparecen. Incluyen, entre muchos otros, los pares electrón-positrón y pares de fotones, que son sus propias antipartículas. Normalmente, esas partículas “virtuales” no pueden captarse directamente. Pero, como un fantasmal coro griego, ejercen sutiles influencias sobre el mundo “real”.

Por ejemplo, los fotones virtuales que aparecen y desaparecen constantemente producen un campo eléctrico fluctuante. En 1947, los físicos encontraron que el campo cambia los niveles de energía de un electrón dentro de un átomo de hidrógeno y, por tanto, el espectro de radiación que emite el átomo. Un año más tarde, el teórico holandés Hendrik Casimir predijo que el campo también ejercería una sutil fuerza sobre dos placas de metal separadas por un pequeño espacio, comprimiéndolas hasta unirlas. Esto se debe a que el campo eléctrico debe desaparecer en la superficie de las placas, por lo que sólo ciertas ondas del campo eléctrico pueden encajar entre ambas placas. Por contra, más ondas pueden empujarlas desde el exterior ejerciendo una fuerza neta. El efecto Casimir se observó por primera vez en 1997.

Pero ahora, Claudius Riek, Alfred Leitenstorfer, y sus colegas de la Universidad de Konstanz, en Alemania, dicen que han observado directamente esas fluctuaciones del campo eléctrico, cartografiando su influencia sobre una onda de luz. El experimento se basa en una técnica desarrollada para estudiar un pulso de luz más largo usando uno más corto disparando ambos simultáneamente a través de un cristal (ver diagrama de arriba). El pulso “de bombeo” más largo se polariza horizontalmente, lo que significa que el campo eléctrico en él oscila hacia los lados. El pulso “de sondeo” más corto se polariza verticalmente. Sin embargo, las propiedades del cristal dependen del campo eléctrico del mismo, por lo que el haz de bombeo provoca un cambio en la polarización del haz de sondeo que surge a partir del cristal trazando un patrón elíptico. Ajustando la sincronización de los pulsos, los investigadores pueden usar el efecto de polarización para cartografiar las oscilaciones del campo eléctrico en la onda de bombeo.

Pero las propias fluctuaciones del vacío afectarán al cristal y, por tanto, a la polarización del pulso de sondeo, señala Leitensdorfer. Por tanto, para medir las fluctuaciones del campo del vacío, “sólo pusimos el pulso de sondeo, y nada más”. De media, la polarización del pulso de sondeo aislado permaneció vertical. Pero a lo largo de muchas repeticiones variaba ligeramente, y este ruido era la señal de las fluctuaciones del vacío, según dice el equipo.

Observar el efecto no es una hazaña menor, dado que la polarización también varía debido a los cambios aleatorios del número de protones de cada pulso, o “ruido de disparo”. Para distinguir entre ambos, los físicos variaron la duración y anchura del pulso, pero no el número de fotones en el mismo. El ruido de disparo debería mantenerse constante, mientras que el ruido debido a las fluctuaciones cuánticas debería menguar conforme el pulso aumenta. Los investigadores apreciaron un cambio en el ruido, un efecto que atribuyen a las fluctuaciones del vacío.

Algunos físicos se cuestionan lo que realmente mide el nuevo experimento, no obstante. Los investigadores asumen que las propiedades ópticas fluctuantes del cristal reflejan las fluctuaciones del vacío, señala Steve Lamoreaux, físico de la Universidad de Yale y uno de los primeros en observar el efecto Casimir. Pero las variaciones en las propiedades ópticas del cristal podrían tener otro origen, como las fluctuaciones térmicas. “Las propiedades del material fluctuarán por sí mismas”, apunta, por tanto “¿cómo atribuir estas fluctuaciones sólo al vacío?”.

Además, el grupo de Leitenstorfer no es el primero en estudiar directamente tales fluctuaciones. En 2011, Christopher Wilson, físico en la Universidad de Waterloo, en Canadá y sus colegas, informaron en Nature de que habían aumentado las fluctuaciones del vacío y las habían convertido en fotones reales. En principio, esto puede hacerse acelerando un espejo que se mueve adelante y atrás hasta casi la velocidad de la luz. Wilson usó una analogía más práctica: un sistema en el cual la longitud efectiva de una pequeña cavidad superconductora podría modificarse electrónicamente. Leitenstorfer señala que el nuevo experimento se diferencia del de Wilson en que no requiere la amplificación de las fluctuaciones. Wilson responde que: “Aunque estoy de acuerdo en que es una diferencia, no creo que sea fundamental”.

Leitenstorfer sostiene que el nuevo trabajo ofrece un avance cualitativo sobre los anteriores. “Claramente, hemos dado un paso adelante en comparación con el resto en lo que respecta a medir la amplitud del campo eléctrico del vacío cuando fluctúa en el espacio y el tiempo”, señala. Otros no parecen tan seguros de ello

Fuente: http://www.cienciakanija.com/2015/11/28/se-observan-tal-vez-extranas-fluctuaciones-cuanticas-del-espacio-vacio/