Gerald Moore predijo en 1970 el efecto Casimir dinámico, la generación de pares de fotones a partir del vacío cuántico inducida por un cuerpo en movimiento acelerado. Christopher Wilson y sus colegas publican en Nature la primera demostración experimental de este efecto, utilizando un circuito superconductor que simula un espejo en movimiento. La mecánica cuántica predice que el espacio vacío es un hervidero de partículas virtuales que aparecen y desaparecen de forma continua. Estas fluctuaciones cuánticas producen fenómenos medibles, como el efecto Casimir, la presión que ejercen los fotones virtuales en un objeto estacionario. En el efecto Casimir dinámico se producen fotones reales a partir de los fotones virtuales del vacío cuántico debido a la modificación de las fluctuaciones del vacío cuántico inducidas por el movimiento del cuerpo acelerado (cuya velocidad debe ser cercana a la velocidad de la luz). Los fotones emitidos por el cuerpo acelerado provocan una disipación de su energía (la potencia radiada es igual a la potencia disipada en el cuerpo) debido a la ley de conservación de la energía. ¿Para qué sirve este descubrimiento? Aunque no se vislumbran aplicaciones prácticas, el futuro de este tipo de experimentos es muy prometedor en física fundamental gracias a las analogías físicas. De hecho, se espera que experimentos similares al de Wilson et al. permitirán estudiar fenómenos como la creación de partículas en el universo temprano en expansión y la evaporación de los agujeros negros. Nos lo ha contado Diego A. R. Dalvit, “Quantum physics: Shaking photons out of the vacuum,” Nature 479: 303–304, 17 November 2011, haciéndose eco del artículo técnico de C. M. Wilson et al., “Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit,” Nature 479: 376–379, 17 November 2011 [ArXiv preprint, 24 May 2011]. Un resumen en Geoff Brumfiel, “Light coaxed from nothingness,” News Blog, November 16, 2011, que nos recuerda que ya se hizo eco del preprint en “Moving mirrors make light from nothing. Researchers claim to have produced sought-after quantum effect,” Nature News, 3 June 2011.
El principio de incertidumbre de Heisenberg, aplicado al espacio vacío, permite que aparezcan de la nada fluctuaciones de energía siempre y cuando duren un tiempo muy corto; cuanto más corto es el intervalo de tiempo mayor es la incertidumbre en la fluctuación de la energía. Estas fluctuaciones corresponden a “partículas virtuales” y tienen efectos “reales” en otros sistemas cuánticos. Más aún, las partículas virtuales (off-shell) pueden transformarse en partículas reales (on-shell) si se dan las circunstancias adecuadas, por ejemplo, cuando cerca se mueve un espejo a una velocidad próxima a la velocidad de la luz. Obviamente, hacer vibrar tan rápido un espejo “real” es imposible, pero se puede hacer vibrar un campo electromagnético en el extremo de una guía de onda (una fibra óptica) que actúe como espejo para los fotones (virtuales o reales) del vacío fuera de la guía. Para hacer vibrar el campo electromagnético se acopla a la guía un dispositivo SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), te recuerdo que estos dispositivos se utilizar como magnetómetros de muy alta sensibilidad. Como el “espejo” que se pone en movimiento no es un espejo “real” (un cuerpo con masa no nula), se puede conseguir que la velocidad efectiva del movimiento vibratorio del “espejo” es altísima, muy próxima a la velocidad de la luz en el vacío. Las aceleraciones que sufre también son muy altas y ello provoca la emisión de fotones (reales) gracias al efecto Casimir dinámico.
El experimento es muy delicado ya que distinguir entre los fotones generados por efecto Casimir dinámico y otros fotones térmicos es muy difícil. Por ello, el experimento se ejecuta a muy baja temperatura (menos de 50 milikelvin; a 25o milikelvin dominan los fotones térmicos y el efecto desaparece). La radiación producida por el vacío cuando el “espejo” vibra se introduce en la guía de ondas y se mide en el otro extremo; gracias a su espectro característico se la puede distinguir con precisión. Además, los fotones detectados aparecen en pares con una frecuencia similar a la mitad de la frecuencia de oscilación del “espejo” que la induce. Gracias a ello, mediante experimentos de interferencia cuántica se ha podido verificar que los pares de fotones presentan correlaciones cuánticas que garantizan que tienen un origen común. Este tipo de experimentos son muy delicados y para convencer a los revisores de una revista como Nature hay que demostrar realmente lo que se afirma.
La Ciencia de la Mula Francis
(Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear, Consolider-Ingenio 2010).
