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» » » Aprovechar el poder cuántico del espacio vacío

 El escurridizo efecto Casimir sugiere que se podría utilizar la energía del vacío para mover objetos y hacer otras cosas, pero ¿cómo es posible que realmente algo salga de la nada?

"La nada puede venir de la nada". Según Shakespeare parece que ese tipo de afirmación auto-evidente solamente se lo disputan los poetas y los filósofos. Y los físicos como Chris Wilson.

El año pasado, Wilson y su equipo de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gothenburg, Suecia, surgió un caso particularmente sobresaliente de algo por nada. Ellos afirmaron haber conjurado la luz de la nada, simplemente presionando hacia abajo el espacio vacío (New Scientist, 19 de noviembre de 2011, p 16). Esa parecía la última manifestación de un capricho cuántico conocido como el efecto Casimir: la noción de un vacío perfecto, la definición misma de la nada en el mundo físico, contiene una energía latente que puede ser aprovechada para mover objetos y hacer cosas.

Las observaciones de esta acción del vacío han ido en aumento durante la última década, llevando a algunos físicos a proponer una nueva generación de máquinas a escala nanométrica e ir avanzando con ella, otros incluso han sugerido el papel proponderante de la energía del vacío a la hora de determinar el origen y el destino de el cosmos. Y otros quedan aún que no están nada convencidos. Entonces, ¿cuál es la verdadera historia?

La idea de que el vacío es un mar hirviente de algo, se remonta a las primeras décadas de la física cuántica. A fines de la década de 1920, el físico alemán Werner Heisenberg llegó con su famoso principio de incertidumbre, que dice que algunos pares de cantidades mensurables están íntimamente relacionados: cuanto más se sepa sobre uno, menos se sabe sobre el otro.

Pues la energía y el tiempo son uno de esos pares. Esto significa que no podemos medir la energía de un sistema físico con una precisión perfecta, a menos que el tiempo en sí mismo sea totalmente impreciso, es decir, que tomemos un tiempo infinito para llevar a cabo la medición. De ello se desprende que la energía cero del vacío no puede ser precisada con exactitud. Según la teoría cuántica, incluso un vacío perfecto está lleno de campos de onda que que fluctúan constantemente, produciendo una legión de partículas efímeras que continuamente aparecen de la nada sólo para desaparecer de nuevo, rellenando el vacío con una distintiva "energía de punto cero".

Esta reformulación del vacío dio un impulso fresco a un debate de siglos sobre la naturaleza de la nada (New Scientist, 19 de noviembre de 2011, p 50). Pero, a su vez empezaron a acumularse evidencias de que este vacío tan animado podía tener consecuencias prácticas. Al observar los átomos con detenimiento, se percibe un pequeño efecto conocido como el efecto de Lamb, en el que las fluctuaciones del vacío empujan al electrón en órbita alterando sutilmente su energía. Algo similar se puede invocar para explicar cómo los electrones saltan a veces espontáneamente entre dos estados atómicos de energía, emitiendo fotones de luz.

Pero la sugerencia de Hendrik Casimir fue más llamativa. En 1948, junto a su colega Dirk Polder, el físico holandés intentanba comprender cómo los coloides mantienen un equilibrio estable. Los coloides son mezclas en las cuales un tipo de sustancia se dispersa a través de otra, como los glóbulos de grasa en la solución acuosa de la leche. Las fuerzas entre las moléculas en dicho medio se desprenden más rapidamente con la distancia que lo que permite los cálculos básicos con las fuerzas de Van der Waals del electromagnetismo clásico. Es como si algo estuviese tirando de las moléculas constituyentes más cercanas, dando a la mezcla de una estabilidad adicional.

Tras un chivatazo del decano danés de la cuántica Niels Bohr, Casimir calculó que ese algo podría ser la acción del vacío. Trabajando con los efectos de las fluctuaciones del vacío en un complejo molecular coloide de cerveza era imposible de desarrollar. Así que empezó a considerar un modelo de sistema simple con dos placas metálicas paralelas, y demostró que las fluctuaciones podían producir una mejora de la atracción entre ellas. Su explicación fue que las dos placas limitaban la longitud de onda de las fluctuaciones del vacío entre medio del espacio. Fuera de esos límites, las fluctuaciones podían tener cualquier longitud de onda. Cuanto más ondas había fuera, la presión empujaba hacia el interior de las placas (ver diagrama).

El efecto es muy pequeño: dos placas separadas a unos 10 nanómetros de distancia sentían una fuerza comparable a la suave carga de la atmósfera sobre nuestras cabezas. Esta minúscula contribución arrastraba fácilmente una legión de otros efectos, como las atracciones electrostáticas residuales entre cargas sobre las superficies de las placas. Esto hacía que la confirmación de su existencia fuese muy difícil. "Necesitamos saber que está midiendo realmente la fuerza de Casimir", señala el experimentalista Hong Tang, de la Universidad de Yale. Es más, no es tan fácil alinear placas perfectamente paralelas, mientras que para calcular un efecto esperado con otras geometrías más complejas tan sólo se lleva algunas matemáticas sofisticadas.

No fue sino hasta 1996, que Steven Lamoreaux, entonces físico de la Universidad de Washington en Seattle, qeu hizo un gran avance en esto. Tomando precauciones necesarias para excluir todos los demás efectos, descubrió con una pequeña fuerza residual que empujaba una placa de metal y una lente esférica (Physical Review Letters, vol 78, p 5). El efecto Casimir, al parecer, no era el sueño de un teórico: la acción del vacío pasó a ser un efecto real.

Desde entonces, un goteo constante de resultados han ido confirmando otras viejas predicciones teóricas. El físico soviético, Evgeny Lifshitz propuso en 1955 que, el tamaño de las fluctuaciones del vacío podían crecer al aumentar la temperatura, dando lugar a una fuerza más potente en las distancias más largas. En febrero de 2011, Lamoreaux, ahora en la Universidad de Yale, y su equipo, confirmaron que, efectivamente, este era el caso (Nature Physics, vol 7, p 230).

A golpe de nanoescala         

En cuanto a la labor del equipo de Wilson, sus resultados, publicados en noviembre pasado, apoyan una predicción de hace cuatro décadas, convirtiendo la lógica del efecto Casimir original en su cabecera. En lugar de utilizar las partículas emergentes del vacío para cambiar su entorno, si mueves el entorno de un vacío lo suficientemente rápido, puedes crear fotones de luz reales. En algunos sectores, esta idea es controvertida, pero es la demostración más palmaria de los poderes del vacío hasta la fecha.

Al observar que estos efectos se han multiplicado, también lo han hecho nuestras ideas de poder aprovecharlos como recursos. Una propuesta popular es usar la energía del vacío para dar a las máquinas nanométricas un tirón adicional. Eso requiere algo un tanto distinto a la fuerza original de Casimir, cuyos efectos de atracción tienden a engomar los componentes de una mini-máquina, un fenómeno conocido como fricción estática o "frictática".

Al ajustar las geometrías o propiedades de estos materiales para confinar el vacío, sería posible invertir la dirección del efecto Casimir, creando una presión hacia fuera que empujara para separar dos objetos. En 2008, Steven Johnson y sus colegas, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, calcularon que añadiendo una serie de soportes entrelazados de metal, al estilo de una cremallera, las caras de ambas placas de metal podrían, en teoría, conseguir una fuerza neta repulsiva entre ellas. Un estudio más reciente, realizado por Stanislav Maslovski y Mário Silveirinha, de la Universidad de Coimbra, en Portugal, han indicado un efecto similar, usando unas varillas metálicas a nanoescala, para crear unas áreas de fuerza repulsiva que podían hacer levitar una barra nonométrica de metal (Physical Review A, Vol. 83, p 022508).

Estas fuerzas podrían ayudar a los componentes nanométricos, como interruptores, engranajes, cojinetes o partes de un motor funcionasen sin atascos. Pero llevar a la práctica estos dispositivos no parece tarea fácil. Para empezar, se requieren componentes pulidos a escala atómica: considerando una escala tan pequeña (mil átomos, más o menos) y las desigualdades de las superficies de metal, y sabiendo que las estructuras como el cristal limitan las fluctuaciones del vacío de distintas formas, afectando al tamaño de la fuerza de Casimir, digamos que, el poder mover los objetos, se vuelve aún más difícil.

Pero tales complicaciones son superables: en 2009, Federico Capasso y su grupo, en la Universidad de Harvard, midieron lo que parecían ser las fuerzas repulsivas de Casimir en una viga de oro suspendida en bromobenceno líquido, por encima de una superficie de silicio (Nature, vol 457, p 170). Las fuerzas generadas eran meras decenas de piconewtons, pero cuando hablamos de mover partículas a escala nanométrica, un piconewton va en el buen camino. No obstante, aún quedan obstáculos por superar antes de que los dispositivos de Casimir sean una realidad cotidiana, comenta Johnson. "Se trata de un asunto experimental, ¿podemos hacer dispositivos así de pequeños y sensibles? Y por otra parte está la cuestión teórica de si podemos diseñar usos interesantes para la fuerza de Casimir, una vez que lleguen las capacidades experimentales."

Hay todavía una objeción más fundamental, la letanía de las predicciones teóricas gradualmente se han ido convirtiendo en una realidad experimental que invita a una simple conclusión: las fluctuaciones del vacío son reales, y son las responsables de lo que llamamos los efectos Casimir. Pero no todos los físicos están en ello.

Su incomodidad radica en los cálculos realizados por Casimir y Polder, incluso antes que asentaran que las fluctuaciones del vacío son la explicación de la débil fuerza de Van der Waals. Ellos mostraron que, la misma debilidad podría lograrse, simplemente, teniendo en cuenta el tiempo finito que le lleva a la fuerza el ser transmitida a través de las suficientemente grandes distancias, por ejemplo, entre dos placas separadas por decenas o cientos de nanómetros. Esta idea fue revivida y robustecida por unos cálculos que hizo el físico ganador del Premio Nobel, Julian Schwingeren, en la década de 1970. Él nunca creyó en la realidad de las fluctuaciones del vacío y desarrolló una versión de la teoría cuántica de campos, que él llamó la teoría de la fuente, para distanciarse de ello. Bajo esta imagen, el efecto Casimir sólo aparece teniendo en cuenta la interacción cuántica de la materia cargada, sin ninguna acción del vacío en absoluto.

Robert Jaffe, un teórico de partículas del Instituto de Tecnología de Massachusetts, sugiere que la única razón por lo que la interpretación de vacío ha ganado popularidad es debido a que sus matemáticas son mucho más simples. "Hay una manera frívola de que la gente se refiera al efecto Casimir como la evidencia de las fluctuaciones del vacío real", señala. "Pero no hay ninguna evidencia de que las fluctuaciones del vacío existan en ausencia de la materia". Del mismo modo, se aplica a otros efectos que se invocan como prueba de su realidad, el efecto Lamb y la emisión espontánea de fotones de los átomos, se pueden describir simplemente como el resultado de interacciones de carga.

Si esto es así, podría tener consecuencias para la mayoría de nuestros intentos por afinar el funcionamiento de las nanomáquinas. La realización en el último par de décadas de que la expansión del universo se está acelerando, un fenómeno atribuido a la misteriosa "energía oscura", ha generado un nuevo interés por la energía del vacío. Por el momento, nuestros mejores cálculos de la energía oculta el vacío puede llegar a una cifra de unos 120 órdenes de magnitud mayores que la cantidad necesaria para llevar a cabo la aceleración cósmica, una incongruencia que se cuenta quizá entre las predicciones de la historia de la física. Sin embargo, las observaciones del efecto Casimir se siguen viendo con la avidez de una evidencia cuyo poder podría determinar nuestro destino cósmico.

Los cálculos originales de Schwinger formaban parte de un esfuerzo más amplio, definitivamente sin éxito, para desterrar las fluctuaciones del vacío de la teoría cuántica de campos. La verdad bien puede ser incómoda: nunca hemos podido convencernos a nosotros mismos de la realidad de la energía del vacío, ya que cualquier intento de hacerlo trae consigo alguna forma de materia en la ecuación. Como los filósofos de la ciencia, Svend Rugh y Henrik Zinkernagel escribieron en 2001: "Parece imposible decidir si los efectos resultantes son del vacío 'en sí mismo' ... o son generados por la introducción de los arreglos de medición."

Wilson espera que los fotones que emergen de su aparato en Suecia, si es confirmado por otros grupos, provean de esa clarificación final para demostrar la realidad de las fluctuaciones del vacío. Igual que nuestra capacidad de construir filigranas de nanomáquinas y el aumento de tests del efecto Casimir en los próximos años, o tal vez alguna desviación de las predicciones nos dé esa mano definitiva sobre los efectos que vienen. ¿Puede la nada realmente venir de la nada? Todavía hay razones para que tengamos que hablar de nuevo.



- Referencia: NewScientist.com, 20 de febrero 2012 por David Harris
- Imagen 1): Aprovechando el poder del vacío (Foto: Omar Mohideen de la Universidad de California en Riverside). Imagen 2) Onda comprimida.

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