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Observan el efecto Casimir dinámico

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Observan el efecto Casimir dinámico

Área: Física — Martes, 7 de Junio de 2011
Según la Mecánica Cuántica un espejo moviéndose a velocidades relativistas es capaz de crear luz a partir del vacío. Se ha logrado construir un análogo electromagnético para demostrar este efecto experimentalmente.
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La nada probablemente no se dé, así que discutir o hablar sobre la nada seguro que no es muy fructífero desde el punto de vista intelectual. Sin embargo, el concepto de vacío ha sido muy discutido en Física desde hace siglos y ha dado lugar a grandes avances en la ciencia, desde los estudios en la antigua Grecia sobre la clepsidra, pasando por el barómetro de Torricelli hasta llegar a la Mecánica Cuántica. De hecho, uno de los grandes argumentos en contra de las cuerdas es precisamente la gran cantidad de estados de vacío que “predice”.
La Teoría Cuántica de Campo sostiene que si extraemos toda la materia ordinaria de una región de espacio, el vacío que queda no es nada aburrido, allí siempre hay algo. El propio espacio tiene la propiedad de crear pares de partículas de la nada que tienen existencia durante el breve tiempo permitido por el principio de incertidumbre. El vacío, por tanto, contiene fluctuaciones cuánticas continuamente y esas fluctuaciones, esas partículas virtuales que aparecen y desaparecen, tienen una influencia sobre todo lo demás. 
Esa influencia se puede calcular teóricamente y medir experimentalmente. Así por ejemplo, el desplazamiento Lamb de los espectros atómicos o la modificación del momento magnético del electrón tienen su origen en esas fluctuaciones del vacío. Esta renormalización del vacío es ahora básica en nuestra compresión del Universo y es usada para tratar de demostrar conceptos como la supersimetría, porque esas hipotéticas partículas supersimétricas también deben de aparecer en esas fluctuaciones y tener su influencia sobre todo lo demás (hasta el momento esto no ha sido visto con éxito).
Hace 40 años G. Moore propuso que si un espejo se movía a velocidad relativista en el vacío se generarían fotones reales (en contraposición a los virtuales) que podrían verse directamente. Según predice la teoría cuántica, un espejo que se mueve muy rápido puede absorber energía de los fotones virtuales en su superficie y reemitir esa energía como fotones reales, pero el efecto sólo se da si la velocidad de movimiento es comparable a la de la luz, cosa que hoy en día no se puede hacer con un dispositivo mecánico. Digamos que se podía generar luz de “la nada”. Es lo que se llamó efecto Casimir dinámico.
El efecto Casimir normal fue propuesto por primera vez por Henrik Casimir en 1948 y no fue medido experimentalmente con precisión hasta 1997. Según este efecto si se colocan dos placas metálicas muy cerca entre sí, se estable una presión de radiación que fuerza a las placas a juntarse. Cuando se dispone de dos placas metálicas de este modo se establece una cavidad en la que las fluctuaciones del interior, al sentirse constreñidas, producen menor presión de radiación que las fluctuaciones del exterior. El resultado es que aparece una fuerza neta que trata de juntar las placas.
El efecto Casimir puede ser explicado como un mal emparejamiento de los modos del vacío en el espacio. El efecto Casimir dinámico surge del mal emparejamiento de los modos en el tiempo. Según se mueve el espejo cambia la estructura de los modos espaciales del vacío.
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Esquema del montaje. Fuente: C.M. Wilson y colboradores.
Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Goteburgo (Suecia) han logrado observar el efecto Casimir dinámico gracias al uso de circuitos superconductores.
El circuito usado en el experimento consiste en una línea de transmisión coplanar con una longitud eléctrica que puede ser cambiada muy rápidamente. De este modo se evita tener que mover objetos mecánicos a velocidades relativistas, ya que es mucho más fácil mover la definición espacial de un campo electromagnético. Esa longitud se cambiada mediante la modulación de la inductancia de un SQUID a altas frecuencias (del orden 10 GHz). Es el SQUID el que actúa como si fuera un espejo al hacerse pasar un campo magnético a su través. Si se invierte ese campo miles de millones de veces por segundo se consigue que el sistema oscile a un 5% la velocidad de la luz, y entonces se producen luz (en realidad fotones de microondas)
Un SQUID es un sistema de interferencia cuántico superconductor basado en uniones Josephson. Esto de las uniones Josephson es otra maravilla de la Física. Si separamos dos superconductores por un aislante muy fino se produce un efecto túnel tal que los pares de Cooper son capaces de pasar al otro lado. A diferencia del efecto túnel normal, en el que hay una probabilidad no nula y menor que 1 de que una partícula atraviese una barrera, en este caso tal cosa se da con probabilidad 1 (es decir, siempre se da).
En un SQUID se montan dos de esas uniones en un aro superconductor de tal modo que el sistema de supercorrientes es muy sensible a los campos magnéticos.
Además de observarse la creación de fotones reales, en este experimento sobre el efecto casimir dinámico, se observó que el promedio de la frecuencia de los fotones es justo la mitad de la frecuencia empleada para hacer oscilar el sistema, cosa que precisamente era predicha por la Mecánica Cuántica.
John Pendry, físico teórico en Imperial College London y no involucrado en el estudio, ha declarado que el experimento es uno de los más inusuales de los últimos años en probar la Mecánia Cuántica y es un logro significativo. Federico Capasso, físico experimental en Harvard University, ha dicho que es un desarrollo muy importante. Este investigador espera que en un futuro se pueda hacer oscilar mecánicamente un nanoespejo hasta velocidades relativistas y que se pueda observar el mismo efecto.
Los resultados han sido publicados en ArXiv y se presentarán próximamente en un congreso en Padua, pero los investigadores se han negado a hacer declaraciones hasta que los resultados sean revisados por el sistema habitual en la ciencia (revisión de pares).
Aunque el experimento es muy satisfactorio desde el punto de vista teórico, tiene pocas aplicaciones prácticas, si las tiene. Y de momento no puede ser usado para extraer energía del vacío que soluciones nuestros problemas energéticos o posibilite el vuelo interestelar a velocidades relativistas.
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Thalia