Y la luz se hizo

09/12/2015 2 comentarios
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Con motivo del cierre del Año Internacional de la Luz, explicamos cómo se puede crear luz a partir de la oscuridad mediante el efecto Casimir Dinámico. 

"Y Dios dijo hágase la luz: y la luz se hizo"... ¿Difícil? ¡Bah! ¿Quieren que les cuente cómo se hace?

Desde el punto de vista "no-cuántico" (los físicos decimos "clásico"), en el vacío no hay nada, literalmente. Pero cuando se estudia en una escala de espacio y tiempo suficientemente pequeña (es decir, cuando entramos en el terreno de la física cuántica), el vacío es sólo la configuración de energía más baja de un campo, por ejemplo, el campo eléctromagnético. Las partículas llamadas elementales, como los fotones que constituyen la luz, se crean cuando el campo absorbe una determinada cantidad de energía, pasando a un estado de energía más alta.

 

Uno de los pilares de la teoría cuántica es el llamado principio de incertidumbre de Heisenberg, y una de sus muchas consecuencias es que nada que se rija por las leyes de la física cuántica puede tener una energía perfectamente definida, digamos 0, todo el tiempo. Tampoco, por tanto, el vacío cuántico. Si el tiempo de análisis es muy pequeño, la indeterminación del valor de la energía puede ser relativamente grande. Con cierta pompa, los físicos llamamos a esto "fluctuaciones cuánticas del vacío" y nuestra manera de entenderlo es la siguiente: en cada punto del espacio y en cada instante, hay una cierta probabilidad de que se cree un par de partículas y sea rapidísimamente reabsorbido por el vacío. Estos mundos sutiles viven tan poco que no pueden propagarse por el espacio y llegar a los detectores de partículas de un laboratorio. Es por esto que decimos que son "virtuales".

Existe al menos una manera de convertir a estas partículas virtuales en "reales". Se llama "Efecto Casimir dinámico" y fue descubierto por Gerald T. Moore (sí, como el músico) en 1970. Si movemos un espejo lo suficientemente rápido, los fotones virtuales pueden rebotar en el espejo antes de reencontrarse con su par y morir en el vacío, siendo entonces liberados para poder propagarse libremente y ser detectados. El único problema es que la velocidad necesaria para que este proceso tenga una probabilidad apreciable de suceder se acerca a la velocidad de la luz, la máxima velocidad de la Naturaleza. Puesto que la luz recorre una distancia igual a 50 veces el radio de la Tierra en un segundo, no basta con darle el espejo a Usain Bolt, ni siquiera montarlo en el Mercedes de Lewis Hamilton. De hecho, no conocemos la manera de hacer esto con un espejo convencional, como el que nos dice la verdad a todos menos a la reina de Blancanieves. Sin embargo, en 2011 científicos de la Universidad de Chalmers en Suecia demostraron que el espejo podía ser sustituido por una variación astuta de las propiedades de un circuito eléctrico cuántico y realizaron el experimento con éxito, creando montones de partículas reales a partir del vacío.

 El espíritu del espejo mágico en la Blancanieves de Disney.

Antes le robé sus mundos sutiles a Antonio Machado, porque es así como me gusta pensar en las partículas virtuales: ingrávidas, gentiles, como pompas de jabón que súbitamente se quiebran. El experimento de Chalmers dio vida a esas pompas de jabón y las hizo aparecer ante nuestros ojos asombrados. Es importante hacer algún matiz: la luz creada en este experimento no es luz "visible" (aquella que está en la región del espectro electromagnético que percibe el ojo humano), sino que está en la parte del espectro correspondiente a las microondas (de las que ya hemos hablado aquí).

Además de su interés teórico, la creación de partículas a través del vacío podría tener aplicaciones tecnológicas. Esto se debe a que las partículas creadas en el Efecto Casimir Dinámico poseen la propiedad clave en tecnología cuántica a la que ya nos hemos referido en esta bitácora en otras ocasiones: entrelazamiento cuántico. En un artículo que será publicado por Scientific Reports en los próximos días y en el que he colaborado (entre otros) con los investigadores de Chalmers, demostramos teóricamente cómo usar esa idea para construir un ordenador cuántico a partir del Efecto Casimir Dinámico. Es sólo un ejemplo de una línea de investigación que continuará en los próximos años.