Posible nuevo método de medida de las fluctuaciones del vacío del campo electromagnético

Por Francisco R. Villatoro, el 18 abril, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Science ✎ 13

El vacío es una sustancia. Las fluctuaciones cuánticas de energía cero del estado de vacío del campo electromagnético se pueden medir de forma indirecta. Se publica en Nature una medida del llamado efecto eletroóptico entre dos haces láser que se propagan en un cristal de ZnTe de 3 mm de grosor enfriado a 4 K. Un campo eléctrico puede alterar la polarización de la luz en un cristal; las fluctuaciones cuánticas de vacío del campo eléctrico inducen oscilaciones de la polarización de la luz, que se pueden observar usando un interferómetro de Mach–Zehnder. En el artículo se proclama la observación de fluctuaciones del vacío de hasta 0.25 voltios por metro. Si se confirma en futuros estudios, este método indirecto podría ser más directo que otros métodos anteriores (como el desplazamiento Lamb o las fuerzas de Casimir).

No hay que olvidar que el gran problema de toda medida indirecta de las fluctuaciones del vacío es garantizar que no sea debida a efectos espurios (como fluctuaciones térmicas en los dispositivos experimentales). Lo más fácil es recurrir a temperaturas criogénicas (se ha trabajado a 4 K ≈ −269 ºC). Además, la señal es pequeña hasta el extremo, luego el efecto requiere usar medidas a alta frecuencia (se han usado terahercios). Un gran logro obtenido en el marco de la tesis doctoral de la primera autora, Ileana-Cristina Benea-Chelmus, supervisada por Jérôme Faist, el autor principal, del Instituto de Electrónica Cuántica, ETH, Zurich. Pero hay que ser cautos con este resultado publicado en Nature.

No soy experto en los detalles, pero la interpretación de los autores de su medida asume detectores ideales y una repetición perfecta del experimento durante 3 horas a un ritmo de 80 MHz. Me genera muchas dudas que no sea necesario tener en cuenta el efecto de las variaciones en el comportamiento de los detectores durante todo este tiempo. Quizás estamos ante un sesgo de confirmación. Espero equivocarme, pero auguro muchas críticas negativas a este fascinante resultado. El artículo es Ileana-Cristina Benea-Chelmus, Francesca Fabiana Settembrini, …, Jérôme Faist, “Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state,” Nature 568: 202–206 (10 Apr 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1083-9arXiv:1809.01785 [quant-ph]. Más información divulgativa en Andrey S. Moskalenko, Timothy C Ralph, “Correlations detected in a quantum vacuum,” Nature 568: 178-179 (10 Apr 2019), doi: 10.1038/d41586-019-01083-z; Oliver Morsch, “Fluc­tu­a­tions in the void,” Phys.org, 11 Apr 2019.

Las medidas ópticas más precisas se logran gracias a los interferómetros. La nueva medida se ha logrado modificando el esquema estándar de un interferómetro (figura izquierda) sustituyendo la fuente de radiación por las fluctuaciones cuánticas de vacío del campo electromagnético (figura derecha). La intuición clásica nos lleva a concebir que el interferómetro de la derecha no podrá observar nada, pues nada debería haber en el vacío. Pero la introducción de puertas temporales (temporal gates), que observan el campo eléctrico residual en una ventana temporal muy corta, permiten que el interferómetro de Mach–Zehnder detecte una señal. Una interpretación de dicha señal basada en un modelo apunta a que su origen son las fluctuaciones de energía cero del vacío del campo electromagnético.

La luz incoherente a cierta temperatura (sea 300 K) no es incoherente del todo. En una escala de tiempo rápida (menor del llamado tiempo de coherencia) aparecen correlaciones que se pueden detectar usando patrones de interferencia. Usando medidas a pocos THz se ha podido observar dichas correlaciones en una escala de tiempos de picosegundos. Los resultados experimentales coinciden con las predicciones teóricas, como muestra la parte izquierda de esta figura. A una temperatura muy baja (sea 4 K) hay una frecuencia de corte para los fotones (unos 0.2 THz), luego las medidas a pocos THz no deberían mostrar ninguna correlación en las fluctuaciones térmicas.  Sin embargo, como muestra la parte derecha de esta figura, Benea-Chelmus y sus colegas han observado correlaciones en este experimento. ¿Cuál puede ser su origen? En su opinión, se está observando el efecto de las fluctuaciones cuánticas de vacío del campo electromagnético. ¿No existe ninguna otra fuente posible? La verdad, no lo sé, pero me genera dudas el análisis teórico ideal presentado en el artículo.

En el experimento se usa un interferómetro de Mach–Zehnder que incluye un elemento óptico no lineal en ambos brazos, que actúa como generador de un retraso (un cristal óptico ZnTe que se enfría entre 4 K y 300 K). Se usan pulsos de terahercios (THz) ultracortos, de 80 fs y 125 μm para interaccionar con el vacío electromagnético dentro del cristal no lineal; nota que el cristal tiene un grosor de 24 longitudes de onda. Las correlaciones se observan en los dos detectores tras acumular más de un billón de sucesos en unas 3 horas de repetición del experimento a un ritmo de 80 MHz. La interpretación de estas correlaciones como resultado de las fluctuaciones cuánticas del vacío parece adecuada si uno sigue el formalismo matemático presentado. Sin embargo, tengo la mosca en la oreja, no sé hasta dónde se puede sostener que el comportamiento de los detectores es ideal durante tres horas.

En resumen, si se confirma, se trata de un nuevo método indirecto para la medida de las fluctuaciones cuánticas del vacío electromagnético. Pero, aunque se haya publicado en Nature, creo que debemos esperar a la repetición independiente de este experimento y a la confirmación teórica de los análisis realizados para la interpretación de sus resultados. Estaré al tanto de cómo progresa este asunto.



13 Comentarios

  1. El vacío es una sustancia, según una de sus definiciones ; “Entidad a la que por su naturaleza compete existir en sí y no en otra por inherencia” se puede deducir que el vacío como tal es similar al concepto de Dios. Bueno es una boutade mía, lo siento. Mi punto es que si en esa sustancia existe ondas cuánticas de energía cero, va ha ser muy difícil medirlas. Comprendo tus dudas Sr. Francis. Ya se que se puede de forma indirecta, como has mencionado y supongo que ahí está el problema de definir su composición. Pero al ser vacío de energía cero todo lo que se puede expresar en ese campo tendrá que surgir de una fuente o de forma entangled (no sé su traducción) cuántica.
    Después de tu explicación creo que a mi también me surgen dudas, leída la noticia en otros medios me había ilusionado con eso de saber que es el “vacío”

    1. Jodydito, sabemos muy bien lo que es el vacío de un campo cuántico; tenemos una descripción precisa de su naturaleza que nos permite calcular cómo afecta a las partículas de dicho campo y de otros campos. Cualquier curso de teoría cuántica de campos te lo explica en detalle.

    2. No sabes lo que es el vacío cuántico y a la vez escribes “entangled” en vez de “entrazalamiento” porque no sabes la traducción.

      No sé Rick…

  2. Aprovecho para preguntar un par de cosas: ¿Cómo van los experimentos para extraer energía del vacío? ¿Se sigue considerando al efecto Casimir originado por el vacío o más bien una fuerza de van der Waals? Realizando una búsqueda sobre la primera cuestión, la primera referencia es un artículo tuyo.

    https://francis.naukas.com/2008/02/25/podemos-extraer-energia-gratis-del-vacio-o-sobre-las-fuerzas-de-casimir/

    Hrvoje Nikolić, Proof that Casimir force does not originate from vacuum energy

    1. PSPE2, no hay experimentos científicos en curso para extraer energía del vacío, pues es imposible extraer energía positiva de una fuente de energía cero. Quizás haya algunos paracientíficos intentándolo, pero no son científicos. Todo lo que leas sobre el tema es pseudociencia.

  3. Según Dirac creo : la relación de indeterminación entre el tiempo y la energía Hace imposible reducir la indeterminación a cero …. Significa esto que el vacío absoluto no puede existir por esta teoría? .

  4. Cuando las partículas surgen del vacío cuántico lo hacen en par : partícula – antipartícula y con la energía del punto cero , osea mínima , pero cuando se aniquilan de donde obtienen tanta energía ?

    1. Rapero, las fluctuaciones cuánticas del vacío son se describen mediante pares partícula/antipartícula, no te equivoques, este error es muy popular entre los legos; el vacío se describe mediante pares partícula-virtual/antipartícula-virtual, que no es lo mismo, ya que una partícula-virtual no es una partícula, no te equivoques. Se llama “partícula virtual” a una fluctuación cuántica del vacío (no cumple con la ecuación cinemática de Einstein para una partícula). Se trata de un abuso del lenguaje, pues en rigor se está diciendo que las fluctuaciones están hechas de fluctuaciones (aka partíulas virtuales).

      La matemática de la teoría cuántica de campos es muy clara, y muy sencilla, tras su estudio. Las palabras con las que se habla de esta matemática pueden jugar malas pasadas a los legos.

  5. ¿-No ha tenido ninguna influencia el campo gravitatorio del propio aparato de medir, así como el de todos los elementos incorporados al experimento, etc-?

  6. Mi pregunta es por qué en la aniquilación partícula-virtual/antipartícula-virtual se genera tanta energía siendo que surgen del vacío donde no la hay ? … a no ser que les llegue del futuro .

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