martes, 1 de marzo de 2022

Punto-Cero de Energía y efecto Casimir - Inés Cavero Peláez

 Punto-Cero de Energía y efecto Casimir.







¿A quién no le ha motivado alguna vez conocer los entresijos de nuestro universo? ¿Quién no sentiría curiosidad por saber cómo se forman los bloques que lo constituyen, qué los gobierna o cómo se comporta esta magnífica estructura desde lo más diminuto hasta lo más vasto de ella?  Habitar un planeta de tamaño insignificante dentro de esta gran fábrica de la creación nos une inexorablemente a ella. Al fin y al cabo, como dijo Carl Sagan, somos polvo de estrellas; no cabe duda que buscando en lo profundo de cada uno captamos el vínculo con ellas. Perder la conexión con la continua creación y cambio del Universo sería un suicidio. Sería como quedarse huérfano a gran escala.

El camino para conseguir tan honrosa tarea como es el entendimiento, la percepción, la unión con lo que nos rodea, tiene muchas vías y una de ellas es la ciencia. La Biología, la Química, las Matemáticas, todas ellas exploran una verdad dentro de sus campos que pretende ser inexorable. El campo que nos incumbe en este artículo es la Física y esta (entre otras cosas) busca conocer la verdad de la materia, del espacio y del tiempo, de cómo se creó el Universo, de cómo ha evolucionado hasta nuestros días y de cuál será su suerte.  Algunos lo han llamado conocer la verdad absoluta, aunque, en mi modesta opinión, el horizonte de esa verdad es más vasto que el Universo mismo e implica más conocimiento del que nuestros sentidos más desarrollados están actualmente preparados para digerir.  No olvidemos que cualquier revolución científica va unida a una revolución y evolución de pensamiento y, me atrevo a decir, de sentimiento y percepción de “Todo lo que ES”1.


Fig.1 El grabado Flammarion de autor desconocido. Hombre asomándose más allá de los límites del universo conocido.


Lo que sí deja pocas dudas es que se busca dar respuesta a una única realidad que es la que observamos y experimentamos. Uno esperaría que la Física ofreciera una única explicación del Universo que abarcara desde “lo más diminuto hasta lo más vasto” de él, dando así respuesta a la pregunta con la que comenzábamos este artículo y saciando una inquietud que probablemente hayan tenido los humanos desde el origen de su existencia. Sin embargo, explicar los cimientos de la realidad no es tarea fácil y, aunque el esfuerzo se centra en avanzar dando pasos firmes y certeros, en la actualidad existen en la Física dos teorías fundamentales que explican una única realidad pero que, sin embargo, no encuentran su punto de convergencia. Estas dos teorías se posicionan a los dos extremos de la mecánica clásica. A pequeñas escalas tenemos la teoría cuántica y a grandes escalas se encuentra el límite cosmológico. Padres de dichas teorías son Niels Borh representando la teoría cuántica y Albert Einstein fundador de la teoría de la relatividad.

La teoría cuántica estudia la materia y la radiación, es una física de partículas y de sus interacciones fundamentales. Deja de describir una realidad determinista como lo hace la mecánica clásica de Newton y sin embargo subyace a dicha realidad cuando se extrapola al ámbito clásico. La teoría de la relatividad describe la gravedad y el movimiento, el espacio y el tiempo como algo dinámico y cambiante, no como un espacio rígido en el que ocurren las cosas cotidianas que experimentamos como reales. Ambas teorías supusieron una revolución en la física y un cambio en el pensamiento de la sociedad del momento (como otros descubrimientos/teorías rompedoras de la época en la que se formularon). El puzle ahora está en encontrar el nexo de unión entre ambas teorías, lo que se llama teoría de unificación.  Por supuesto si nos encontramos en esta búsqueda es porque hay algo fundamental que no estamos teniendo en cuenta, o estamos haciendo mal o ignorando.


Fig.2 Cascada. Litografía creada por M. C. Escher en 1961.

Paradoja ¿Posible o imposible?

O…. ¿tendremos que aprender a mirar?


De momento no existe una teoría de unificación satisfactoria por ello, los amantes de la física se encuentran divididos en dos grandes grupos que corresponden a dichas teorías fundamentales. Cualquier avance en cualquiera de ellas supondrá un paso más hacia la Teoría de la Unificación y hacía la siguiente revolución científica y de pensamiento.

Vamos, en este artículo, a inclinar la balanza hacia la teoría cuántica y descubrir una de las maravillas de nuestro mundo. Trataremos de poner en evidencia la existencia de una danza invisible que inunda nuestro espacio, aparentemente vacío, y que tiene consecuencias apreciables. Se llama Vacío Cuántico y da lugar, entre otras cosas, al Efecto Casimir. Para “encontrar” el vacío cuántico no hay que salir a buscarlo, no hay ni siquiera que moverse de donde estamos, puesto que nos rodea. Nuestros sentidos no están preparados para percibirlo porque nosotros nos manejamos en un mundo clásico donde los efectos cuánticos quedan promediados y se equilibran de tal modo que nos pasan inadvertidos. Imagínate que vives y has vivido toda tu vida en el fondo del mar.  Tu realidad ha estado siempre rodeada de agua. Ahora, en la profundidad del océano, intenta separar del resto solo una gota de agua. Es posible que, habiendo vivido siempre completamente sumergido en un mar de agua, ni siquiera te hicieras una idea de lo que quiere decir “una gota de agua”.  Nuestra existencia está inmersa en un mar cuántico donde las gotas de agua son fluctuaciones cuánticas que dan lugar a la danza de la que te hablaba. El hecho de que la humanidad haya sido capaz de llegar a este nivel de entendimiento acerca de cómo opera la fábrica de la creación, es en sí un logro extraordinario.

 

La danza del vacío.

Pero, ¿qué es eso de las fluctuaciones cuánticas?

Clásicamente, uno define el vacío como un estado en el que no hay nada. Podemos imaginar una caja “vacía” que no contiene ningún tipo de partículas dentro, tampoco ningún movimiento y por lo tanto es de esperar que no haya energía en su interior. Sin embargo, contrario a lo que nos dicta la intuición, resulta ser que la mecánica cuántica predice la existencia de un vacío que está virtualmente lleno. Incluso después de utilizar cualquier técnica imaginable para que no quede en la caja ni el más pequeño corpúsculo, y disminuir la temperatura lo más cercana al cero absoluto que nos fuera posible, aun así, no podemos decir que la caja no tiene nada. Contiene una gran cantidad de energía y un mar de partículas virtuales que aparecen y desaparecen continuamente. No es un almacenaje de energía que está disponible a nuestro antojo, como el petróleo hasta que lo acabemos, sino que más bien es un sustrato de energía que solo bajo ciertas condiciones se puede utilizar; por supuesto, a cambio de pagar un precio. El trato con el diablo es que esa energía hay que devolverla en una fracción de tiempo diminuta.

Vayamos por partes. El estado de vacío que es el llamado Punto-Cero se refiere al estado cuántico en el que el sistema se encuentra en su estado de mínima energía.  Clásicamente, cuando determinamos la energía de un sistema, lo que medimos en realidad es la energía de un sistema físico comparada con la energía que dicho sistema tenía en una situación distinta, en otro instante de tiempo. En el contexto de la mecánica newtoniana o clásica, la mínima energía es una referencia que tomamos en cada caso particular y que podemos fijar igual a cero. Lo que medimos a partir de ahí son diferencias de energía entre el mínimo estado (que como hemos dicho puede estar fijado en cero) y otro que es el que nos interesa. Eso ocurre por ejemplo en el campo gravitatorio: si tenemos una partícula sobre la superficie terrestre, podemos determinar que su energía potencial en esa posición es igual a cero de tal manera que cualquier otra posición que ocupe dicha partícula por encima de la superficie terrestre hará que esta adquiera una energía potencial distinta de cero. Ahora bien, si la partícula sigue en el suelo (sobre la superficie de referencia que hemos fijado carente de energía potencial) y no está sometida a un agente externo, su energía no cambiará de forma espontánea a un valor distinto de cero.

Por supuesto esto se intenta extrapolar al mundo cuántico y entonces, por analogía, decimos que el sistema se encuentra en su estado fundamental cuando tiene la mínima energía. Lo que ocurre es que este “mínimo”, el cual corresponde a la ausencia de partículas reales, corresponde a una energía infinita. El mundo clásico en el que nos movemos está diseñado de tal modo que podemos ignorar este infinito cuántico subyacente y medir solo variaciones de energía por encima de él. A pesar de eso, la actividad del vacío cuántico tiene consecuencias que se han observado a nivel macroscópico. Pero, ¿cómo explicarlo cuando los resultados parecen estar fuera de toda predicción experimental? Lo que ocurre es que, si queremos interpretar lo que pasa a nivel cuántico, la intuición clásica queda relegada a un segundo plano y antes de hacer especulaciones newtonianas de cómo funciona el mundo cuántico, es necesario saber bajo qué reglas viven sus habitantes.

La realidad cuántica se abrió a nuestros ojos tras un cúmulo de hechos experimentales que acontecieron allá alrededor de los umbrales del siglo XX. Todos ellos implicaban un comportamiento inusual de la radiación y/o de las partículas subatómicas que llevaron al concepto de la dualidad onda-corpúsculo. Entre estos experimentos está el efecto fotoeléctrico, la aparición de líneas espectrales del átomo de hidrógeno o, anterior a estos, la teoría de la radiación del cuerpo negro [1, 2] experimento que, según señala Peter Miloni [3], fue uno de los acontecimientos más importantes y menos reconocidos en la evolución de nuestro entendimiento hacia dicha dualidad y por supuesto hacia el concepto del punto-cero de energía2 [4].

Estos (y otros) experimentos evidenciaron algo revolucionario “lo que parecía estar pasando es que una partícula a nivel atómico podía tener propiedades de una onda”. Esto no tenía sentido puesto que nuestra experiencia ordinaría nos ha hecho diferenciar claramente entre lo que es una partícula con propiedades asociadas a un objeto material y lo que es una onda que se propaga y se entiende como una vibración, algo distinto de la materia. Es decir, esos experimentos nos conducían a pensar que en unas ocasiones la partícula se comportaba como materia, pero en otras parecía ser una onda. Así apareció la dualidad onda-corpúsculo y, con ella, el primer temblor del edificio clásico-newtoniano, que entró en confusión ante la incertidumbre acerca de si un objeto era partícula o era onda.


Fig.3 Dualidad.


De este modo, los experimentos de la época llevaron a la conclusión de que la luz, tratada anteriormente como una onda, tenía propiedades asociadas a pequeñas partículas o corpúsculos que más adelante se denominaron fotones. Además, se vio que la energía asociada a cada uno de los fotones era una cantidad fija, definida de acuerdo a la frecuencia, de tal manera que no se observaban fotones con energía igual a una fracción de dicha cantidad. Esa cantidad, que es la unidad de energía se llama “un cuanto”. Se observa que la luz se absorbe y se emite solamente en múltiplos del cuanto de luz y no de forma continua como se pensaba.

Del mismo modo, bajo las condiciones adecuadas, se observa que una partícula tiene propiedades de onda. Eso es lo que le ocurre al electrón, por ejemplo. El experimento de la doble rendija3 deja evidencia de este hecho y se convierte en uno de los experimentos más relevantes y debatidos de la mecánica cuántica.

La dualidad onda-corpúsculo obligó a dar un giro a la visión clásica de la realidad cuando uno quiere estudiar la estructura básica de la materia.  Es más, existe una consecuencia de este hecho que abre un mundo de nuevas posibilidades: Cuando observamos un fenómeno en el mundo macroscópico, podemos definir sus propiedades mediante parámetros dados por magnitudes físicas como energía, posición o momento. Sin embargo, en la observación de fenómenos o de acontecimientos a escala cuántica, la determinación de magnitudes físicas tiene un límite por debajo del cual estas magnitudes dejan de tener el significado absoluto que conocemos en la mecánica clásica y adquieren un carácter probabilístico informándonos sólo de la probabilidad de que un cierto suceso ocurra. Así, ciertas variables como la velocidad y la posición de una partícula cuántica no se pueden determinar con una precisión arbitraria como ocurre en la mecánica clásica debido a que existe una indeterminación en la precisión con que estas dos magnitudes se pueden conocer simultáneamente. Se le llamó el principio de indeterminación de Heisenberg en honor al físico que la propuso. El principio de indeterminación, también llamado de incertidumbre, aparece cuando se intenta definir el sistema en pares de variables físicas que llamamos variables conjugadas como son la posición y el momento de la partícula o la energía y el tiempo. No es posible determinar la posición de una partícula y a la vez su momento (producto de la masa por la velocidad) con una precisión mayor que la establecida por el principio de indeterminación de Heisenberg. Si conocemos la posición de una partícula cuántica con una gran exactitud, inevitablemente disminuimos la precisión con la que se puede determinar su momento. Lo mismo ocurre entre el tiempo y la energía.

El principio de incertidumbre de Heisenberg, que aparentemente pone de manifiesto una limitación al conocimiento de nuestro universo tal y como estamos acostumbrados es, sin embargo, la antesala de una nueva realidad. Es importante entender que la indeterminación en la medida de estas variables no es debida a que las técnicas de medición no son lo suficientemente precisas, sino que es una cualidad intrínseca de la propia naturaleza cuántica.

Fig.4 Werner Heisenberg nos ofrece mirar la realidad desde una nueva perspectiva.


Por asombroso que parezca, el principio de indeterminación permite, entre otras cosas, algo imposible en la mecánica clásica como es la no-conservación de la energía. El principio de conservación de la energía se puede violar en el mundo cuántico siempre que esta energía robada se devuelva en una fracción de tiempo tan pequeña que no sobrepase la indeterminación de la medida que calculó Heisenberg. Esto, por lo tanto, provoca que en el vacío estén permitidas fluctuaciones de energía que pueden provocar la creación de partículas, que llamamos virtuales, y que se aniquilan entre sí en una fracción minúscula de tiempo. La aparición y desaparición, creación y destrucción de partículas en el vacío es una danza del mar cuántico que ante ciertas condiciones da lugar a efectos macroscópicos observables.

El espacio vacío corresponde al estado de mínima energía que en realidad está repleto de ondas del campo electromagnético y en principio de cualquier otro campo existente. No existen, en el concepto de vacío, partículas reales, pero está repleto de partículas virtuales.

 

El efecto Casimir.

Hendrik Brugt Gerhard Casimir (1909-2000) estudiando su doctorado en Leiden, visitaba con cierta frecuencia a Niels Borh en Conpenhage. En aquella época comenzó su interés por entender qué ocurría en sistemas coloidales donde teoría y experimentos no concordaban. Cuenta Casimir que Bohr le inspiró para abordar el problema desde el punto de vista del vacío cuántico4.


Fig.5 Niels Borh y Hendrik B. G. Casimir. Fuente: Fotos de Wikimedia Commons.

Esto es lo que pasó. Durante una visita a Copenhague, debió de ser en 1946 o 1947, Bohr me preguntó qué estaba haciendo y yo le expliqué acerca de nuestro trabajo con las fuerzas de van der Waals. “Eso es bonito” dijo, “es algo nuevo”.

Entonces le expliqué que me gustaría encontrar una derivación sencilla y elegante de mis resultados. Bohr, meditó un momento y después murmuró algo como “eso debe de tener algo que ver con el punto-cero de energía”. Eso fue todo, pero en retrospectiva tengo que admitir que le debo mucho a ese comentario.


Casimir desde luego aprovechó la idea que le dio su amigo Borh y fue capaz de reproducir el problema que estaba investigando desde el punto de vista de las fluctuaciones cuánticas de vacío. Después tuvo una idea revolucionaria: dos placas paralelas, sin ningún tipo de carga ni potencial aplicado sobre ellas, podrían verse afectadas por una fuerza proveniente de las fluctuaciones de vacío. Visto a groso modo se podría decir que lo que Casimir estaba imaginando era la locura de que dos placas neutras, sin carga, colocadas paralelamente en un lugar donde no hay nada, experimentan sin embargo una fuerza entre ellas. Casimir resultó estar en lo cierto.

De manera heurística, lo que ocurre es lo siguiente: Imaginemos un espacio abierto, sin límites. El mar de partículas virtuales y los campos electromagnéticos y/o de otra naturaleza, pueden oscilar a su antojo en ese espacio dando lugar a un infinito de energía. Coloquemos ahora, en ese espacio, dos placas paralelas perfectamente conductoras y neutras. Fuera de las placas, las ondas del campo electromagnético siguen siendo libres de existir en cualquier modo de vibración, sin embargo, el espacio confinado entre las placas limita los modos en que las ondas electromagnéticas pueden existir restringiendo la aparición de algunos de dichos modos que sin embargo sí veríamos si las placas no estuvieran. La energía total en esta nueva configuración sigue siendo infinita, pero debido a que la presencia de las placas impone condiciones en los modos de vibración permitidos no dejando que existan algunos de ellos, hace que la energía fuera de las placas sea distinta a la de dentro y por lo tanto haya una fuerza neta sobre ellas que en este caso hace que se atraigan.


Fig.6 Placas paralelas con modos de vibración. Entre las placas, no todas las longitudes de onda están permitidas, lo que provoca que la presión fuera y dentro de las placas sea distinta ocasionando la fuerza de Casimir. Fuente: Wikimedia Commons.


Las placas están sometidas a mayor presión por la parte de fuera que la de dentro, haciendo así que se atraigan. Para observar este efecto es necesario movernos a un nivel de escala muy pequeño, puede abarcar desde unos nanómetros a algunas centenas de micrómetros. Esto hace que este efecto sea relevante en nanotecnología donde los sistemas electro-mecánicos que se utilizan están dentro de esta escala de tamaño.


Fig.7 Imaginemos una cuerda con sus extremos libres. Esta cuerda puede vibrar de cualquier manera sin restricción alguna. Supongamos ahora que sujetamos ambos extremos de la cuerda. Los únicos modos de vibración que tiene ahora la cuerda son los que están permitidos bajo la restricción de que ambos extremos permanezcan fijos, como ocurre en la simulación realizada por Adjwilley - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=26249625

Las placas conductoras limitan los modos de vibración de una manera equivalente a tener los extremos de la cuerda fijos. Por este motivo las vibraciones fuera y dentro del recinto que delimitan las placas paralelas son distintas.


A pesar de que el efecto Casimir, así contado, parece entenderse, el resultado que producen las fluctuaciones de los campos sobre sistemas microscópicos no es predecible. Es decir, así como la energía entre dos placas da lugar a una fuerza de atracción, los materiales y la geometría “que confinan parte del espacio” juegan un papel muy importante en determinar si la fuerza resultante es de atracción, de repulsión o nula. Por ejemplo, después del cálculo de Casimir en 1948 en el que determinó que la fuerza de vacío entre dos placas era atractiva se pensó que la energía de vacío o efecto Casimir en el caso de una esfera conductora daría lugar a una fuerza también atractiva, arreglando así algunos problemas de la época referentes a la estabilidad del electrón. Sin embargo, contrario a todas las predicciones, el cálculo detallado de la energía de vacío que realizó Boyer en 1968 dio lugar a una fuerza de repulsión. En 1981 DeRaad y Milton calcularon la energía del vacío para un cilindro conductor la cual, aunque de valor relativo más pequeño, volvió a resultar en una fuerza de atracción.  El efecto que tiene la geometría sobre el resultado neto de la energía de vacío (y como consecuencia sobre la fuerza), aún no se entiende. Es decir, dada una geometría arbitraria, no se puede predecir si el efecto Casimir va a dar lugar a una fuerza de atracción, de repulsión o nula.

Como ya hemos dicho, las consecuencias conocidas que tiene la existencia del punto-cero de energía son muchas. También hemos señalado que una de las más sorprendentes es el efecto Casimir el cuál, a su vez, tiene consecuencias que son también diversas: Así como hemos hablado de atracción y repulsión, ocurre que, si la fuerza de vacío que experimentan dos objetos es una fuerza lateral, el efecto puede dar lugar a un torque que haga que los elementos que interaccionan roten entre sí. Esto se consigue modificando la geometría de los cuerpos interactuantes de manera que no sean totalmente simétricos en la dirección perpendicular a la que se quiere producir el torque. Igualmente, las propiedades ópticas de los materiales y del medio en el que están inmersos puede producir cambios en el signo de la fuerza que experimentan entre ellos. En esta línea ciertas combinaciones de las constantes eléctricas y magnéticas dan lugar a efectos diferentes como que se produzca levitación debido únicamente a las fuerzas de vacío que se generan.

Sin embargo, es muy complicado montar un experimento para observar y medir con exactitud el efecto Casimir. La principal dificultad es el rango de dimensiones tan pequeñas a las que la fuerza de vacío es medible. Los primeros intentos de medir y observar experimentalmente el efecto Casimir ocurrieron diez años después de su formulación. Así en 1958, en un experimento dirigido por Sparnaay, se creyó observar que efectivamente los resultados no contradecían la existencia de una fuerza de Casimir, sin embargo, las dificultades experimentales eran tan grandes que no se pudo concluir con certeza su existencia para así hacer una comparación fiable con el resultado teórico de Casimir. Entre otras, una de las mayores dificultades experimentales era mantener las placas en posición paralela. En el rango de distancias que hemos comentado, cualquier desviación en la distancia entre las placas puede inducir errores en la medida que enmascaren el efecto que se quiere ver. Los intentos exitosos de obtener una medida sin que hubiera ninguna duda de lo que se estaba midiendo, no llegaron hasta el año 1997 cuando, bajo otro tipo de experimento en el que se solucionaba el problema del paralelismo, el grupo de Lamoraux obtuvo resultados concluyentes hasta tal punto que la desviación entre teoría y experimentos fue solo de entre un 1% y un 5%.

En general, las dificultades para realizar experimentos que puedan medir la fuerza debida a las fluctuaciones cuánticas del vacío son muchas y diversas. Además del ya citado problema del paralelismo, cualquier impureza en las placas, rugosidades del orden de las distancias consideradas o, incluso dependiendo precisamente de las distancias que entren en juego, las variaciones térmicas, pueden tener relevancia e introducir errores de medición.



Fig.8 En los experimentos en los que se mide la interacción entre una esfera y una placa, se evita el problema del paralelismo. Como hemos comentado, dadas las dimensiones, la dificultad de los experimentos sigue siendo muy grande. En el experimento que se muestra en esta figura, realizado en Riverside, se utiliza un microscopio de fuerza atómica.
Créditos de imagen & Copyright: Umar Mohideen (U. California at Riverside).


En la actualidad, donde el “nano-mundo” está adquiriendo tanta relevancia, la influencia que tiene las fuerzas derivadas de las fluctuaciones de vacío puede ser relevante. Estas fuerzas, que con frecuencia son atractivas, pueden provocar el colapso entre los elementos que constituyen el nano-dispositivo e interrumpir así su correcto funcionamiento.

Una variante del efecto Casimir es lo que se llama el efecto Casimir dinámico. En su modelo más sencillo y originalmente propuesto por Stephen Fulling y Paul Davies en 1997 consiste en dos placas paralelas pero sometidas a un cierto movimiento o vibración. La predicción de este efecto es la producción de partículas (fotones) reales.

 

El efecto Casimir y la constante cosmológica.

Mucho se ha hablado de la constante cosmológica y de las distintas interpretaciones que ha tenido a lo largo de la historia. Siempre intentando cuadrar la teoría con la observación, la constante cosmológica es uno de los parámetros víctima de los prejuicios humanos. Se ha repetido una y mil veces que el propio Einstein lo consideró su mayor equivocación. Sin ser tan dramáticos, podemos pensar que el análisis de la constante cosmológica ha sufrido del exceso de prudencia del investigador a la hora de hacer ciencia. Así, su interpretación ha sido de lo más diverso utilizándola para explicar tanto un comportamiento de la evolución del universo como su contrario.

Einstein, introdujo esta constante porque su creencia era el de un universo estático. El hecho de que sus ecuaciones no predijeran esto, le hizo introducir una constante que equilibrara la acción de la gravedad y estabilizara así el universo supuestamente estático.  Más adelante, el telescopio Hubble nos permitió observar cómo las galaxias se estaban alejando de nosotros, evidenciando así un universo en expansión5. Einstein entonces decidió descartar la constante que había introducido para estabilizar un universo que resultó no ser estable. Una vez confirmada, no sólo la expansión del universo sino también su aceleración, vuelve a tener sentido incluir la incomprendida constante cosmológica, esta vez como un término que explicara la aceleración de la expansión del universo.


Fig.9 Einstein con los astrónomos Edward Hubble (en el medio) y Walter Adams (a la derecha) observando la expansión del universo con el telescopio Hubble en el observatorio del Monte Wilson en California, 1931. 

Sin embargo, mucho me temo que la historia acerca de la interpretación del origen de la existencia de dicha constante promete ser larga. El origen de la aceleración del universo es a día de hoy desconocido y por lo tanto se puede dar rienda suelta a una especulación controlada. Se ha llamado, por este motivo, energía oscura a la energía propulsora de la aceleración del espacio-tiempo y que origina la constante cosmológica.

Una de las vías que se investigan para establecer el origen de la constante cosmológica es la energía de punto-cero de vacío. Nuestro universo es casi estático. La aceleración observada es pequeña y hace que la constante cosmológica sea también pequeña. Sin embargo, el cálculo de la densidad de energía de vacío resulta ser 120 órdenes de magnitud mayor que el valor proveniente de los datos observados. Esto es uno de los grandes problemas de la física y una de las mayores discrepancias entre teoría y observación que ha existido en la historia de la física.

Parece plausible que la constante cosmológica tenga algo que ver con la energía del punto-cero, sin embargo, hasta ahora los esfuerzos que se han hecho en esta dirección no han dado resultados que lleven a una interpretación esperanzadora. Un modo de atacar el problema es calcular la energía de Casimir sustituyendo las placas por la curvatura del espacio-tiempo y comparando la energía resultante a la que resulta de suponer el universo plano. El carácter dinámico de la energía de vacío en espacios curvos puede ser una investigación prometedora. También se ha intentado buscar (en espacios planos y curvos) una cota máxima a partir de la cual no se tengan en cuenta las fluctuaciones del vacío cuántico. En cualquiera de los casos, un paso esencial e inevitable es lo que en física cuántica de campos se llama renormalización. Básicamente consiste en aplicar técnicas que nos permitan deshacernos de valores que son infinitos y que no aportan una medida física observable. Hasta qué punto este tipo de manipulaciones introducen interpretaciones erróneas a escala cosmológica no está del todo claro.

El hecho de que dos teorías, como la Teoría Cuántica de Campos y la de la Relatividad, que han sido tan exitosas den resultados tan dispares obliga a pensar que algo fundamental se nos está escapando.  Mientras que desarrollamos y evolucionamos nuestro entendimiento acerca de la realidad del universo, no dejemos de disfrutar de lo que ya conocemos.

 

Notas:

1 Nota de los coordinadores: La imagen de Flammarion está repetida en este libro en dos capítulos de temática distinta y con las autoras a miles de kilómetros de distancia y sin contacto entre ellas. Las mantenemos, en los dos capítulos, como buena prueba de la universalidad de la Ciencia.

2 El mismo Einstein dedicó varios años al estudio de la radiación del cuerpo negro y del postulado de la energía del punto-cero introducido por Planck [5].

3 El mismo experimento que en 1801 le sirvió a Thomas Young para rebatir la teoría de Newton, (que postulaba la naturaleza corpuscular de la luz) y demostrar que la luz era una onda, sería, en el siglo XX, la que pondría de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo [6].

4 Borh y Casimir eran además amigos. George Gamow, también contemporáneo y amigo de ambos, cuenta alguna anécdota que ocurrió entre ellos en [7].

5 Archivos históricos revelan que el primero en entender y probar que el universo estaba en expansión fue Georges Lemaître [8].

 

Referencias:

[1] M. Alonso Y Edward F. Finn, 1986, Física. Volumen III: Fundamentos cuánticos y estadísticos, Wilmington, Addison-Wesley Iberoamericana, S. A.

[2] Stephen Gasiorowicz, 1974, Quantum Physics, John Wiley & Sons, Inc.

David Bohm, 1989, Quantum Theory, New York, Dover Publications Inc.

[3] Peter W.  Miloni, 1994, The Quantum Vacuum. An Introduction to Quantum Electodynamics, London, Academic Press

[4] Martin J. Klein, 1962 Max Planck and the Beginnings of Quantum Theory, Arch. Hist. Exact Sciences 1, 459

[5] Abraham Pais, 1982, Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein, New York, Oxford University Press

[6] Mar Gulis (Colectivo del área de cultura científica del CSIC), 2015, El experimento físico más hermoso de todos los tiempos: la doble rendija, Ciencia para llevar: el blog del CSIC.

[7] George Gamow, 1961, Biography of Physics, New York, Harper & Brothers, Publishers. (Versión en español de Alianza Editorial)

[8] Emilio Elizalde, 2021, The Hubble-Lemaître Law and the Expansion of the Universe, The True Story of Modern Cosmology. Springer, Cham.

Emilio Elizalde, 2020, Cosmología moderna desde sus orígenes, Los libros de la catarata.

 

 

Inés Cavero Peláez.

Doctora en Ciencias Físicas.

Profesora, Centro universitario de la Defensa, Universidad de Zaragoza (CUD-UNIZAR). 


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