El espacio vacío es cualquier cosa menos, de acuerdo con la mecánica cuántica: en cambio, se agita con partículas cuánticas que entran y salen de la existencia. Ahora, un equipo de físicos afirma que ha medido esas fluctuaciones directamente, sin perturbarlas ni amplificarlas. Sin embargo, otros dicen que no está claro exactamente qué mide el nuevo experimento, lo que puede ser apropiado para un fenómeno que se origina en el famoso principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.
“Hay muchos experimentos que han observado efectos indirectos de las fluctuaciones del vacío”, dice Diego Dalvit, un teórico del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México que no participó en el trabajo actual. “Si este [nuevo experimento] es correcto, sería la primera observación directa del campo [de fluctuaciones] en sí mismo”.
Gracias al principio de incertidumbre, el vacío vibra con pares de partículas-antipartículas apareciendo y desapareciendo. Incluyen, entre muchos otros, pares de electrones-positrones y pares de fotones, que son sus propias antipartículas. Normalmente, esas partículas “virtuales” no se pueden capturar directamente. Pero como algunos coros griegos espeluznantes, ejercen influencias sutiles en el mundo “real”.
Por ejemplo, los fotones virtuales que entran y salen de la existencia producen un campo eléctrico fluctuante al azar. En 1947, los físicos descubrieron que el campo cambia los niveles de energía de un electrón dentro de un átomo de hidrógeno y, por lo 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 fuerza sutil sobre dos placas de metal muy juntas, apretándolas. Esto se debe a que el campo eléctrico debe desaparecer en las superficies de las placas, por lo que solo ciertas ondas onduladas del campo eléctrico pueden caber entre las placas. En contraste, más ondas pueden empujar las placas desde el exterior, ejerciendo una fuerza neta. El efecto Casimir se observó en 1997.
Pero ahora, Claudio Riek, Alfred Leitenstorfer y colegas de la Universidad de Konstanz en Alemania dicen que han observado directamente esas fluctuaciones de campo eléctrico al registrar su influencia en una onda de luz. El experimento se basa en una técnica que desarrollaron para estudiar un pulso de luz más largo con uno mucho más corto disparándolos simultáneamente a través de un cristal (ver diagrama). El pulso más largo de la “bomba” está polarizado horizontalmente, lo que significa que el campo eléctrico en él oscila lateralmente. El pulso de “sonda” más corto comienza polarizado verticalmente. Sin embargo, las propiedades del cristal dependen del campo eléctrico en él, por lo que el haz de la bomba hace que la polarización del haz de la sonda cambie y emerja del cristal siguiendo un patrón elíptico. Al ajustar el tiempo de los pulsos, los investigadores pueden usar el efecto de polarización para mapear las oscilaciones en el campo eléctrico en la onda de la bomba.
Pero las fluctuaciones del vacío afectarán al cristal y, por lo tanto, a la polarización del pulso de la sonda, dice Leitensdorfer. Entonces, para medir las fluctuaciones del campo de vacío, “solo colocamos el pulso de la sonda, nada más”. En promedio, la polarización del pulso de la sonda solitaria permaneció vertical. Pero durante muchas pruebas repetidas, varió ligeramente, y ese ruido fue el señal de las fluctuaciones del vacío, dice el equipo.
Detectar el efecto no es tarea fácil, ya que la polarización también varía debido a la variación aleatoria en el número de fotones en cada pulso, o “ruido de disparo”. Para separar a los dos, los físicos varían la duración y el ancho del pulso, pero no la cantidad de fotones que contiene. El ruido del disparo debe permanecer constante, mientras que el ruido de las fluctuaciones cuánticas debe reducirse a medida que los pulsos se hacen más grandes. Los investigadores vieron un cambio de un pequeño porcentaje en el ruido, un efecto que atribuyen a las fluctuaciones del vacío.
Sin embargo, algunos físicos cuestionan qué mide realmente el nuevo experimento. Los investigadores suponen que las propiedades ópticas fluctuantes del cristal reflejan las fluctuaciones del vacío, dice 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 alguna otra fuente, como las fluctuaciones térmicas, dice. “Las propiedades del material fluctuarán por sí mismas”, dice, así que “¿cómo se atribuyen estas fluctuaciones solo al vacío?”
Además, el grupo de Leitenstorfer no es el primero en investigar directamente tales fluctuaciones. En 2011, Christopher Wilson, un físico ahora en la Universidad de Waterloo en Canadá, y sus colegas informaron en Nature que habían aumentado las fluctuaciones de vacío y las habían convertido en fotones reales. En principio, eso se puede hacer acelerando un espejo hacia adelante y hacia atrás a una velocidad cercana a la de la luz. Wilson usó un análogo más práctico: un sistema en el que la longitud efectiva de una pequeña cavidad superconductora podría cambiarse electrónicamente. Leitenstorfer señala que el nuevo experimento difiere del de Wilson en que no requiere amplificar las fluctuaciones. Wilson responde: “Si bien estoy de acuerdo en que es una diferencia, no creo que sea fundamental”.
Leitenstorfer sostiene que el nuevo trabajo hace un avance cualitativo sobre los esfuerzos anteriores. “Claramente hemos ido un paso más allá en comparación con cualquier otra persona al medir directamente la amplitud del campo eléctrico del vacío a medida que fluctúa en el espacio y el tiempo”, dice. Otros parecen menos seguros de eso.
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