Excitando el vacío… a hostia limpia

En capítulos anteriores de Puré de bytes…

«fotos guarras»
«Construirán un láser gigante para perforar el Universo»
«¿Y qué harán con esa GRAN cantidad de energía?»
«Podrían separar estos pares de partícula y antipartícula para poder detectarlos de forma directa.»

Como vimos en un post anterior, el vacío es un lugar muy bizarro en el cual aparecen constantemente y de forma espontánea pares de partículas y antipartículas que se aniquilan al instante. Estas fluctuaciones del vacío se manifiestan en muchos fenómenos físicos. Algunos de estos efectos tienen muchísimo glamour (un glamour extremadamente friki, de acuerdo), como la radiación de los agujeros negros. Otros son de lo más pedestre (de nuevo, desde el frikismo), como la fuerza electrostática (sí, sí, la de frotar el boli con el jersey y atraer trocitos de papel).

Para los que son demasiado vagos para hacer clic y leérselo, el otro día hablamos de ELI, un proyecto para construír un mega-láser que permitiría dar suficiente energía a estas partículas virtuales como para hacerlas observables directamente. Hoy nos desayunamos la noticia de que un equipo Sueco-Australiano ha conseguido observar estas partículas de una forma relativamente sencilla basada en el efecto Casimir.

No, Casimiro no, Casimir.

El efecto Casimir es una manifestación de las fluctuaciones cuánticas del vacío. Tiene la gracia de ser al mismo tiempo muy glamouroso (su existencia fue propuesta en 1948 pero no pudo medirse con precisión hasta 1997) y relativamente simple: para observarlo bastan dos placas metálicas paralelas sin ninguna carga eléctrica, separadas por una distancia muy pequeña de espacio vacío. Según el electromagnetismo clásico, al no haber cargas eléctricas no hay ningún campo actuando entre las placas y por tanto no habrá ninguna fuerza entre ellas. Pero en realidad sabemos que el espacio vacío entre las placas no está vacío, y la presencia de las placas afecta a los fotones virtuales que aparecen entre ellas. Esta interacción se traduce en una fuerza entre las placas, que puede ser de atracción o repulsión dependiendo de la configuración del sistema.

¿Y esto qué tiene que ver con el mega-láser del otro día? Pues resulta que hay una variante de este efecto llamada Efecto Casimir Dinámico, propuesta los años 1970, que hasta hace muy poco era tan sólo un experimento mental. Para observar este efecto habría que tomar un espejo, colocarlo en el vacío y hacerlo girar a gran velocidad. Aquí hay que apuntar que cuando un físico dice «una gran velocidad» se suele referir a una GRAN velocidad, digamos una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Este espejo sería capaz de amplificar las fluctuaciones cuánticas del vacío, transmitiendo energía a los fotones virtuales cual patada giratoria superveloz. Estos fotones saldrían despedidos y podrían ser observados por medios convencionales.

¿Y por qué era un experimento mental? ¿Podemos mandar gente a la Luna y no podemos hacer girar un espejo lo bastante rápido? La respuesta es muy gallega: depende. Depende del espejo y de la velocidad. Hacer girar un espejo corriente a una velocidad cercana a la de la luz requeriría una enorme cantidad de energía (y recordemos que cuando un físico dice enorme bla bla bla bla), por no hablar de las dificultades técnicas que implicaría (si ya es complicado que la lavadora centrifugue a 600 rpm sin salir caminando, imagínate). Wilson y compañía han empleado un ingenioso truco: en lugar de un espejo material han usado un dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID).

Aunque suene a pieza del De Lorean de Regreso al Futuro (justo debajo del condensador de fluzo), un SQUID es relativamente sencillo de construír y puede usarse como un espejo muy caro. ¿La ventaja respecto a un espejito normal? En lugar de ser un trozo de metal, el espejo en este caso es un campo magnético que puede hacerse «girar» cambiando el sentido de una corriente eléctrica, y esto sí que sabemos hacerlo muy rápido. ¿Cómo de rápido? Pues muchos millones de veces por segundo, por eso tenemos Ghz detrás de los numeritos que dicen cómo de caro es un ordenador. En la práctica, el «espejo» de este experimento gira a un 25% de la velocidad de la luz, suficiente para dar unos buenos zurrigazos a las partículas virtuales que se cruzan en su camino.

Y con esto, niñas y niños, acaba la lección de física cuántica de hoy. Sed buenos, mirad The Big Bang Theory y no compréis nada de lo que os diga la tele. Para los más valientes aquí está el artículo de Wilson et al, está sorprendentemente bien escrito.

Excitando el vacío

Disclaimer 1: en este post no hay fotos guarras, no estamos hablando de excitar lectores sino de excitar partículas fundamentales y campos cuánticos.

Disclaimer 2: mis conocimientos de cuántica alcanzan para entender los artículos de la wikipedia y poco más. Si eres un experto en el tema te invito a destripar este post en los comentarios.

En los próximos meses se decidirá la ubicación del próximo gran instrumento científico europeo, la Instalación de Campo Ultra Alto, dentro del proyecto de Infraestructura de Luz Extrema (ELI para los amigos). Esta nueva mega-instalación dará lugar a infinidad de:

• Ttitulares apocalípticos: Científicos pretenden romper el espacio-tiempo, Construirán láser gigante para perforar el Universo…
• Artículos de suplemento dominical con trágicos errores de fondo, escritos por un becario a partir de un teletipo de EFE que fue escrito por otro becario a partir del artículo de la Wikipedia que a su vez fue escrito por una profesora de secundaria muy friki, un ex-candidato al Nobel de física y unos cuantos talibanes otrográficos.
• Acalorados debates de codo en barra sobre los criterios y prioridades en la inversión pública, la arrogancia de los científicos y la de cosas que haría yo con todos esos millones en lugar de gastarlos en linternas gigantes.

Pero ¿qué es exactamente la ELI? Lo que se pretende conseguir es obtener información sobre lo que hay realmente en el vacío. Según la física cuántica no existe el vacío como lo entendemos intuitivamente, es decir, «nada de nada»: si observamos con suficiente atención una pequeña región del espacio veremos aparecer parejas de partículas y antipartículas que se aniquilarán mutuamente casi de inmediato.

Antes de que los filobudistas se pongan a tocar la pandereta –¡el vacío no existe, lo han dicho unos científicos!– esto no tiene nada de esotérico. Esta característica de nuestro universo produce, por ejemplo, la radiación que emiten los agujeros negros: un par partícula-antipartícula aparece cerca del límite del agujero negro (el horizonte de sucesos); una de las partículas cae hacia el agujero negro, mientras que la otra sale despedida y escapa.

Total, la idea es construír una serie de fuentes de luz láser y un sistema que concentre los haces provenientes de 10 de esas fuentes en un único pulso. De esta forma se conseguirá concentrar una gran cantidad de energía en un área muy pequeña del espacio durante una minúscula fracción de tiempo.

Hay que tener en cuenta que cuando un físico habla de «una gran cantidad de energía» se refiere a una GRAN cantidad. En este caso se refieren a energías del orden de los exavatios (10¹⁸ watt) , una potencia equivalente a unas 100,000 veces la producción mundial de electricidad. ¿El truco? El pulso tendría una duración de menos de una trillonésima de segundo y está concentrado en un área de una millonésima de centímetro, lo que lo haría comparable a la energía que consume una bombilla incandescente durante 1 segundo.

¿Y qué harán con esa GRAN cantidad de energía? Pues muchas cosas extremadamente interesantes, al menos para un buen puñado de físicos. Una instalación como ésta permitiría observar nuestro universo en condiciones totalmente nuevas, y aportaría información muy valiosa sobre las características de la espuma cuántica que constituye supuestamente el tejido fundamental del espacio-tiempo. Esta energía, por ejemplo, podría separar estos pares de partícula y antipartícula durante un tiempo suficiente para poder detectarlos de forma directa. También podría proporcionar información sobre la materia oscura y su relación con la energía del vacío.

Más allá de la oportunidad de una inversión de este calibre y de su utilidad práctica, la perspectiva de poder someter al universo a estas condiciones de forma controlada es apasionante.

Vía reddit