El origen de la disquisición científica en torno a la comparación de la famosa radiación de Hawking con el fenómeno cuántico de efecto Casimir dinámico, que tiene lugar cuando se perturba el estado de vacío cuántico del campo electromagnético introduciendo un espejo.
Según la física cuántica, el vacío no es realmente vacío sino que en el tiene lugar la formación de pares como electrón-positrón i fotón-fotón (pares de partículas virtuales).
El efecto Casimir es la fuerza de atracción que surge entre dos objetos metálicos separados una distancia pequeña comparada con su tamaño. Este efecto perturba el vacío cuántico y tiene mucha importancia en nanotecnología (donde los objetos y las distancias que los separan son muy pequeños).
La radiación de Hawking es aquella que se escapa de un agujero negro, con una temperatura inversamente proporcional a la masa del agujero, y que es fruto de esta creación de partículas-antipartículas en la frontera de los agujeros negros.
Fluctuaciones del vacío cuántico
La historia viene de lejos, la versión original de Casimir es de 1948 y, para observar las fluctuaciones del vacío cuántico, hacen uso de dos placas paralelas ideales, perfectamente reflectantes y de extensión infinita.
Al comparar la energía del vacío del sistema cuando hay las placas con la que tiene en su ausencia, uno se da cuenta -haciendo los cálculos adecuados- que las fluctuaciones cuánticas del vacío (habilitadas por el importantísimo principio de indeterminación de Heisenberg) provocan que las dos placas se atraigan.
Es la famosa fuerza del vacío (esto quiere decir, en lenguaje usual, de la «nada») cuántico que, en principio, se trata de una fuente inagotable de energía a coste cero.
El problema que tiene para la nanotecnolgia es que los pequeños elementos se atraen siempre y los aparatos dejan de funcionar. Por eso es muy importante la búsqueda de materiales o configuraciones de los dispositivos en que esto no ocurra, es decir, que la fuerza sea repulsiva y controlable.
El efecto Casimir dinámico se produce cuando tenemos en este vacío una placa (o más, con una hay más que suficiente) que se mueve; generalmente se hace vibrar a alta frecuencia. El resultado de la acción del vacío cuántico en este caso se pone de manifiesto en la producción de fotones, que permanecen una vez la placa se detiene (hay que decir, sin embargo, que este experimento nunca se ha podido llevar a cabo de este modo; es muy difícil, aunque hay una determinación indirecta del efecto). Es aquí donde la imaginación científica nos puede llevar a pensar que podría haber una relación con el fenómeno (cuántico también) de la radiación de Hawking de los agujeros negros.
Los cálculos de efecto Casimir dinámico que se han llevado a cabo por importantes científicos (empezando por Davies y Fulling, a los que sigue una larga lista) tenían el problema, no bien resuelto, de la regularización, esto es, del tratamiento de los infinitos que inevitablemente aparecen al considerar una placa que vibra como ideal, en particular, perfectamente reflectante.
«Una fuerza del espacio vacío: el efecto Casimir». Esta pequeña bola podría proporcionar evidencia de que el universo se expandirá para siempre. El balón mide poco más de una décima de milímetro y se mueve hacia una placa lisa, en respuesta a las fluctuaciones de energía en el vacío del espacio. La atracción se conoce como efecto Casimir, llamado así por su descubridor quien, hace 74 años, estaba tratando de entender por qué los fluidos como la mayonesa se mueven tan lentamente. En la actualidad, se está acumulando evidencia de que la mayor parte de la densidad de energía en el universo está en una forma desconocida llamada energía oscura. La naturaleza y el origen de la energía oscura no se conocen, pero se postula que está relacionada con las fluctuaciones del vacío similares al efecto Casimir pero generadas de alguna manera por el espacio mismo y con el signo repulsivo correcto, lo que se puede conseguir en algunas teorías de branas-mundo. Esta energía oscura parece repeler gravitacionalmente toda la materia y, por tanto, es probable que cause que el universo se expanda para siempre. Comprender las fluctuaciones del vacío está en la vanguardia de la investigación no sólo para entender mejor nuestro universo, sino también para impedir que las partes micro-mecánicas de las máquinas se peguen entre sí.
Identificar dos formas de ver la realidad
En la realidad «clásica», que es como los científicos llaman al mundo que podemos ver y sentir, es fácil de entender qué es el vacío. Es simplemente un espacio en el que no hay nada.
Las partículas cuánticas se comportan como fantasmas, pero no tienen nada que ver con fenómenos paranormales. Pero en la realidad «cuántica», es decir, a escalas subatómicas que no podemos detectar a simple vista, el vacío se parece mucho más a una casa llena de fantasmas que aparecen y desaparecen.
En el vacío cuántico, aunque logremos remover cualquier elemento del mundo clásico, como la luz o el calor, y no quede «nada», de repente comenzarán a aparecer partículas que se pueden detectar por brevísimos instantes, como un fantasma.
Al igual que la casa embrujada, aunque en el vacío cuántico aparentemente no hay nada, en realidad está lleno de partículas, energía y ondas que surgen de manera misteriosa y se esfuman rápidamente.
Los científicos ya han logrado detectar estas partículas, según un experimento del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich, afirma que logró medir por primera vez las fluctuaciones que esas partículas generan en el espacio «vacío».
Es como si «sintiéramos» que hay un fantasma, pero por fin lográramos ver la estela blanca que deja a su paso. El experimento se realizó en un dispositivo que crea un «vacío puro».
Algo que surge de la nada
Seguro que hemos oído en la escuela decir que la materia no se crea ni se destruye, es decir, que es imposible que algo surja de la nada. A nivel cuántico, sin embargo, sí que es posible.
«Por un corto período de tiempo se puede crear energía a partir del espacio vacío», dice Cristina Benea-Chelmus, investigadora de ciencias aplicadas en la Universidad de Harvard.
«Ocurre de manera espontánea, no podemos saber cuándo pasará, pero pasará». En el experimento, Benea-Chelmus observó que las fluctuaciones en el vacío se propagan en el tiempo y en el espacio.
A nivel cuántico, cuando hablamos de espacio nos referimos a escalas nanométricas. Y cuando hablamos de tiempo, son períodos brevísimos.
Las partículas cuánticas generan fluctuaciones del campo electromagnético
Por ejemplo, para medir las fluctuaciones, en ese experimento utilizaron pulsaciones de láser que duran 10-15 segundos.
Para lograr el «vacío puro», como lo llama Benea-Chelmus, y así medir lo que ocurre ahí, la investigadora utilizó un dispositivo enfriado a una temperatura cercana al cero absoluto y del cual se bloqueó cualquier fuente de luz que pudiera «contaminar» esa pureza.
«Esto es lo más cercano al vacío a lo que se puede llegar, no se puede superar ese límite», dice Benea-Chelmus.
Al interior del dispositivo había un cristal especial que reacciona ante las fluctuaciones del vacío, que es lo único que queda luego de que se ha eliminado cualquier otro tipo de materia o radiación electromagnética.
Así, al ver cómo cambiaban las características del cristal cuando las fluctuaciones del vacío pasaban a través de él, Benea-Chelmus y su equipo pudieron medir el campo el electromagnético que generan.
Fantasmas cuánticos
El vacío cuántico no es un lugar en el que no haya nada, solo que las partículas, las fluctuaciones y la energía que hay ahí son tan diminutas y tan efímeras que, por ahora, resulta imposible extraerlas o transformarlas.
Esas fluctuaciones que ocurren en el vacío son las responsables de las llamadas «emisiones espontáneas», que son emisiones que se utilizan en dispositivos que emiten luz, como las pantallas de los celulares.
Ese tipo de experimentos podría significar avances en ese campo, pero los autores del estudio destacan que la medición que lograron hacer coincide con lo que describe la teoría cuántica, y que ahora quedó demostrada.
Aún estamos lejos de comprender completamente estos fenómenos, pero su hallazgo es un paso más descifrar los misterios de la física cuántica y entender mejor qué son aquellas partículas que por ahora parecen fantasmas.
Antipartículas -partículas
A la mayor parte de las partículas de la naturaleza le corresponde una antipartícula que posee la misma masa, el mismo espín, pero contraria carga eléctrica. Algunas partículas son idénticas a su antipartícula, como por ejemplo el fotón, que no tiene carga.
Las antipartículas forman la antimateria. Este tipo de partículas son idénticamente iguales a las que conocemos pero con una salvedad, su carga eléctrica es opuesta.
Por ejemplo, la antipartícula del electrón, partícula cuya carga eléctrica es negativa, es el positrón, que es exactamente igual salvo que su carga eléctrica es igual y positiva.
Los pares partícula-antipartícula además tienen una propiedad fascinante. Cuando una partícula y su correspondiente antipartícula se encuentran, chocan, éstas se aniquilan, desaparecen, dando lugar únicamente a un flash de luz.
Las partículas y antipartículas no pueden convivir: se anulan recíprocamente si se encuentran.
La historia del descubrimiento de la antimateria es una de esas que dejan entrever el poder del lenguaje matemático en la física.
La ecuación de Paul Dirac predecía algo que parecía imposible, partículas con energía negativa. De la misma forma que la ecuación x²=4 posee dos soluciones (x=2 y x=-2), una de las soluciones de la ecuación de Dirac parecía indicar que las partículas podían tener una energía menor que la energía del reposo. Es decir, que podían tener una energía menor que la energía que tienen cuando no hacen absolutamente nada.
Cuando una partícula “normal” salta de un nivel de energía bajo a uno más alto, deja un hueco en el nivel de energía bajo, del que proviene. Si esta partícula tiene una carga negativa, digamos que es un electrón, el hueco que deja pasa a tener un déficit de carga negativa, o lo que es lo mismo, una carga positiva, ¡un positrón!
¿Dónde está la antimateria?
Poco después de que Dirac postulara su existencia, se encontraron las primeras antipartículas. Fue Carl D. Anderson quién encontró positrones provenientes de rayos cósmicos usando una cámara de niebla. Este tipo de cámaras se usaron como detectores de partículas. Se trata de un gas que es ionizado al paso de una partícula de forma que se puede visualizar la trayectoria que ésta ha llevado. Anderson usó un campo magnético de forma que cuando una partícula cruzara la cámara, su trayectoria se curvara de acuerdo a su carga eléctrica. Así, un electrón y su antipartícula, el positrón, deberían curvarse en sentidos opuestos.
Unos años más tarde, en 1955, Emilio Segré y Owen Chamberlain descubrieron el antiprotón y el antineutrón, y desde entonces los descubrimientos no han parado. A día de hoy, el LHC, está produciendo antipartículas en cada colisión, pero no es el único, en general cualquier acelerador de partículas lo hace.
Las antipartículas se crean en una plétora de procesos físicos. La Tierra está siendo constantemente bombardeada con antipartículas (forman parte de lo que se conoce como rayos cósmicos) producidas en diferentes procesos astrofísicos. Pero vayamos más cerca de nosotros. Debido al decaimiento del potasio-40, un plátano produce aproximadamente un positrón cada…¡75 minutos! Pero en nuestro cuerpo también podemos encontrar potasio-40, eso quiere decir que nosotros mismo somos una fuente de antipartículas.
¿Para qué sirve?
Una de las aplicaciones más fascinantes que tiene la antimateria es en la medicina. La tomografía por emisión de positrones usa estas partículas para producir imágenes de alta resolución del cuerpo humano. Este tipo de imágenes son altamente eficaces a la hora de detectar, entre otras cosas, tumores.
El futuro podría parecer prometedor en el campo de la producción de energía. Y es que como decíamos, cuando la materia se encuentra con antimateria se aniquilan dando lugar a una buena cantidad de energía en forma de luz. Para hacernos una idea, un gramo de antimateria liberaría la cantidad de energía equivalente a una bomba nuclear, ¡un gramo!
Pero la verdad es que aquí estamos, existimos, y además todo lo que vemos en el universo está hecho de materia, no de antimateria. Un simple cálculo muestra que para que esto sea así sólo se necesita que haya una partícula más de materia que de antimateria por cada mil millones de pares materia-antimateria.
El CERN, en el 2017 midió el momento magnético del antiprotón. Esto es algo así como medir cómo reacciona un antiprotón a un campo magnético externo. Pudiera ser que la antimateria tuviera alguna propiedad, digamos el momento magnético, que la diferencie de la materia y por ello se generase el “desajuste” necesario para que existamos. Pues bien, la medida, hecha con una precisión sin precedentes, indica que los momentos magnéticos del protón y el antiprotón son básicamente iguales.
Partícula que se balancea
Más recientemente, el CERN descubrió una partícula que se balanceaba entre la materia y la antimateria.
Físicos del CERN han descubierto una partícula elemental que oscila entre la materia y la antimateria, balanceándose entre dos mundos imposibles: puede tener el secreto de la asimetría que hemos detectado a lo largo y ancho del universo.
Un nuevo descubrimiento establece que hay un tipo de partículas elementales que se balancean entre la materia y la antimateria, aparentemente impulsadas por fuerzas desconocidas no contempladas en el Modelo Estándar.
El mundo subatómico intriga a los científicos desde que descubrimos que el átomo no era el componente básico de la materia.
No solo observamos que un átomo se compone en un 99,99% de vacío, sino que existen también partículas mucho más pequeñas que son los constituyentes últimos de la materia y sus interacciones.
Las partículas elementales no son visibles, pero se pueden detectar si se aplica suficiente energía. De esta forma, hemos podido saber que las partículas elementales de la materia son 12 en total: seis quarks (Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom), tres electrones (electrón, muon, tau) y tres neutrinos (electrón, muon, tau).
Dentro de cada átomo se esconde todo un universo de masa y energía, el interior de cada partícula elemental revela también universos de particularidades.
La Tierra es bombardeada constantemente por antipartículas que nos traen los rayos cósmicos, e incluso nuestros cuerpos son una fuente de antipartículas. Las dos caras del universo están por todas partes. Y cuando coinciden, se produce un espectacular destello de luz, producto de la aniquilación mutua.
Las paradojas no terminan ahí, porque, por un lado, hay partículas que no tienen carga eléctrica que también contienen antipartículas: se considera que el neutrino es simultáneamente materia y antimateria.
Por otro lado, también sabemos que hay cuatro tipos de partículas recogidas en el Modelo Estándar que pueden convertirse en su antipartícula: son mesones de diferentes tipos, todos formados por quarks (que integran la materia nuclear) y antiquarks
Este comportamiento responde al principio de superposición cuántica, según el cual una partícula puede registrar simultáneamente dos o más valores diferentes.
Muones
Un muon es unas 200 veces más masivo que el electrón. Los muones se producen naturalmente cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera de la Tierra.
Al igual que los electrones, los muones actúan como si tuvieran un pequeño imán interno. En un campo magnético fuerte, la dirección del imán del muon se precesa (la precesión es el movimiento asociado con el cambio de dirección en el espacio) o se tambalea, al igual que lo hace el eje de una peonza.
La fuerza del imán interno determina la velocidad a la que el muon precesa en un campo magnético externo. Esa fuerza del imán interno se llama momento magnético.
El momento magnético del muon se midió por primera vez en 2001 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York, y se descubrió que era mayor de lo que predecía el Modelo Estándar.
Los físicos pensaron entonces que la interacción con partículas desconocidas, quizás contempladas por una teoría llamada supersimetría, podría haber causado esta anomalía.
La medición del experimento Muon g-2 en Fermilab concuerda fuertemente con el valor encontrado en Brookhaven y pone de manifiesto que el Modelo Estándar por sí solo no puede explicarla. Es una prueba convincente de la Nueva Física, destacan sus descubridores.
Ninguno de los experimentos, por el momento se considera todavía un descubrimiento oficial, porque existe una pequeña posibilidad de que los resultados obtenidos se deban a errores estadísticos.
