Efecto Casimir. Bell Labs
En 1997 pudo comprobarse experimentalmente que el vacío puede generar movimiento, lo que constituye una violación del principio clásico de conservación de la energía y permite descubrir cómo la física cuántica modifica nuestra concepción del mundo.
En 1948, el físico holandés Hendrick Casimir ya había imaginado y calculado el fenómeno conocido como “efecto Casimir”, que es el que desvela la presencia de una fuerza de atracción muy débil existente en el vacío que rodea a dos placas metálicas paralelas situadas en una caja cerrada herméticamente, sin campo electromagnético alguno en su interior.
Según la teoría del electromagnetismo y la mecánica clásica, las dos placas deberían permanecer inmóviles todo el tiempo porque en la caja metálica, herméticamente cerrada, se consigue un vacío absoluto de cualquier campo de fuerza. Para moverse, las dos placas metálicas necesitarían energía que no pueden obtener de ninguna parte.
La explicación del movimiento de las placas sólo podía buscarse en la teoría cuántica de los campos, que fue la contribución de Casimir. Según esta teoría, el campo electromagnético posee tres estados de energía diferentes. El estado más básico de energía, el estado fundamental, corresponde a la ausencia de quantas de energía (fotones en el caso del campo electromagnético), más conocido como vacío. El primer estado de energía es el de un quantum o fotón. El segundo estado excitado es el de dos fotones, y así sucesivamente.
Paradoja cuántica
La representación que aporta la teoría cuántica de los campos de vacío es paradójica porque, en realidad, este vacío o estado fundamental de la energía está lleno de energía que no se llega a materializar en forma de partículas.
Sin embargo, por breves momentos, esta energía puede llegar a materializarse en forma de partículas o quantas que viven muy poco tiempo, por lo que se les llama partículas virtuales. A pesar de ser virtuales, los efectos de estos quantas (en nuestro caso fotones) son percibidos realmente.
En la caja herméticamente cerrada, estos fotones virtuales surgen del vacío y crean la perturbación que permite a las placas metálicas tomar la energía y moverse. Eso significa que el espacio que rodea las placas contiene más partículas y energía que el espacio entre las placas. Esa energía débil es la que estableció el efecto Casimir en 1948 y pudo ser observada experimentalmente casi cincuenta años después, en 1997.
En 1958 M. J. Sparnaay, continuando la serie de experimentos realizados por Casimir, descubrió que las fuerzas que actúan sobre las laminas proceden no sólo de la energía térmica, sino también de otro tipo de radiación ahora conocida como energía electromagnética del punto cero. Sparnaay determinó no sólo que la energía electromagnética existe en el vacío, sino que persiste aún a temperaturas del cero absoluto.
Más allá del efecto Casimir
Ahora un grupo de científicos quiere llegar aún más lejos en la explicación del efecto Casimir y determinar si la presencia de esta energía débil, procedente de las partículas virtuales, puede significar la existencia de más dimensiones en la materia, aparte de las ya conocidas de longitud, altura y anchura.
Estos científicos, Dennis E. Krause, del Wabash College, Crawfordsville, Indiana, y Ephraim Fischbach, de la Universidad de Purdue, West Lafayette, Indiana, publican un artículo en la Physical Review Letters en el que explican el experimento que quieren desarrollar para profundizar en el conocimiento de estas fuerzas exóticas de la naturaleza y determinar si realmente existen dimensiones espaciales adicionales.
El experimento se basa en una nueva comprobación del efecto Casimir en placas construidas con isótopos del mismo metal. En teoría, estas placas no deberían moverse por el efecto Casimir, por lo que, si a pesar de todo, las placas siguen moviéndose, habría que pensar en otra explicación para esa fuerza ignota que actúa en los núcleos de la materia sin ser vista.
El posible descubrimiento de esta nueva fuerza podría proporcionar la evidencia de dimensiones adicionales que inciden en la materia de una forma todavía imprecisa para la ciencia. Sería como un nuevo tipo de fuerza de gravedad sólo apreciable en las distancias muy cortas y que sería diferente a la enunciada en el efecto Casimir.
Posible quinta fuerza
Los científicos han comprobado la existencia de cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, que mantiene el núcleo del átomo unido; y la fuerza nuclear débil, que gobierna la producción energética en las estrellas y es responsable de algunas formas de radiactividad.
Partiendo de este conocimiento, los investigadores de Purdue y Crawfordsville suponen que el universo contiene dimensiones adicionales más allá de las tres dimensiones espaciales observadas en el mundo diario porque, de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, todas menos una - la gravedad - están confinadas a tres dimensiones. Esto podría explicar por qué la gravedad es más débil que las otras fuerzas.
Según Krause y Fischbach, la explicación de esta debilidad podría ser que la gravedad se proyecta hacia otras dimensiones espaciales y se convierte así en la quinta fuerza de la naturaleza, además de presentarse como el hipotético camino para acceder a esas supuestas dimensiones adicionales.
Si este experimento funciona según lo previsto, las consecuencias serían importantes tanto en los órdenes físico y conceptual, por la revisión que implicaría respecto a enunciados actuales de la naturaleza y a nuestra concepción del mundo.
Impacto nanotecnológico
También tendría un efecto industrial no menos interesante porque el descubrimiento de esta quinta fuerza sería tremendamente útil para la construcción de las nanomáquinas, ya que incorporaría a esta tecnología el conocimiento de las leyes que rigen en el universo a muy pequeña escala. Al mismo tiempo, este descubrimiento tendería un puente entre el abismo que hoy separa a la física fundamental de la aplicada, según sus artífices.
De momento, sólo se conoce la ley recogida en el efecto Casimir, por lo que para poder afirmar más cosas será preciso comprobar que el sistema ideado por Krause y Fischbach para medir en otras condiciones la débil fuerza generada por partículas virtuales, realmente funciona.
Por otro lado, habrá que esperar a ver si este nuevo experimento descubre realmente esas fuerzas exóticas de la naturaleza que ambos buscan y de las que de momento sólo tenemos indicios. Curiosamente, piezas de nanotecnolgía serán empleadas en el experimento, como un anticipo de lo que supondrá para el desarrollo de estos productos.
En 1948, el físico holandés Hendrick Casimir ya había imaginado y calculado el fenómeno conocido como “efecto Casimir”, que es el que desvela la presencia de una fuerza de atracción muy débil existente en el vacío que rodea a dos placas metálicas paralelas situadas en una caja cerrada herméticamente, sin campo electromagnético alguno en su interior.
Según la teoría del electromagnetismo y la mecánica clásica, las dos placas deberían permanecer inmóviles todo el tiempo porque en la caja metálica, herméticamente cerrada, se consigue un vacío absoluto de cualquier campo de fuerza. Para moverse, las dos placas metálicas necesitarían energía que no pueden obtener de ninguna parte.
La explicación del movimiento de las placas sólo podía buscarse en la teoría cuántica de los campos, que fue la contribución de Casimir. Según esta teoría, el campo electromagnético posee tres estados de energía diferentes. El estado más básico de energía, el estado fundamental, corresponde a la ausencia de quantas de energía (fotones en el caso del campo electromagnético), más conocido como vacío. El primer estado de energía es el de un quantum o fotón. El segundo estado excitado es el de dos fotones, y así sucesivamente.
Paradoja cuántica
La representación que aporta la teoría cuántica de los campos de vacío es paradójica porque, en realidad, este vacío o estado fundamental de la energía está lleno de energía que no se llega a materializar en forma de partículas.
Sin embargo, por breves momentos, esta energía puede llegar a materializarse en forma de partículas o quantas que viven muy poco tiempo, por lo que se les llama partículas virtuales. A pesar de ser virtuales, los efectos de estos quantas (en nuestro caso fotones) son percibidos realmente.
En la caja herméticamente cerrada, estos fotones virtuales surgen del vacío y crean la perturbación que permite a las placas metálicas tomar la energía y moverse. Eso significa que el espacio que rodea las placas contiene más partículas y energía que el espacio entre las placas. Esa energía débil es la que estableció el efecto Casimir en 1948 y pudo ser observada experimentalmente casi cincuenta años después, en 1997.
En 1958 M. J. Sparnaay, continuando la serie de experimentos realizados por Casimir, descubrió que las fuerzas que actúan sobre las laminas proceden no sólo de la energía térmica, sino también de otro tipo de radiación ahora conocida como energía electromagnética del punto cero. Sparnaay determinó no sólo que la energía electromagnética existe en el vacío, sino que persiste aún a temperaturas del cero absoluto.
Más allá del efecto Casimir
Ahora un grupo de científicos quiere llegar aún más lejos en la explicación del efecto Casimir y determinar si la presencia de esta energía débil, procedente de las partículas virtuales, puede significar la existencia de más dimensiones en la materia, aparte de las ya conocidas de longitud, altura y anchura.
Estos científicos, Dennis E. Krause, del Wabash College, Crawfordsville, Indiana, y Ephraim Fischbach, de la Universidad de Purdue, West Lafayette, Indiana, publican un artículo en la Physical Review Letters en el que explican el experimento que quieren desarrollar para profundizar en el conocimiento de estas fuerzas exóticas de la naturaleza y determinar si realmente existen dimensiones espaciales adicionales.
El experimento se basa en una nueva comprobación del efecto Casimir en placas construidas con isótopos del mismo metal. En teoría, estas placas no deberían moverse por el efecto Casimir, por lo que, si a pesar de todo, las placas siguen moviéndose, habría que pensar en otra explicación para esa fuerza ignota que actúa en los núcleos de la materia sin ser vista.
El posible descubrimiento de esta nueva fuerza podría proporcionar la evidencia de dimensiones adicionales que inciden en la materia de una forma todavía imprecisa para la ciencia. Sería como un nuevo tipo de fuerza de gravedad sólo apreciable en las distancias muy cortas y que sería diferente a la enunciada en el efecto Casimir.
Posible quinta fuerza
Los científicos han comprobado la existencia de cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, que mantiene el núcleo del átomo unido; y la fuerza nuclear débil, que gobierna la producción energética en las estrellas y es responsable de algunas formas de radiactividad.
Partiendo de este conocimiento, los investigadores de Purdue y Crawfordsville suponen que el universo contiene dimensiones adicionales más allá de las tres dimensiones espaciales observadas en el mundo diario porque, de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, todas menos una - la gravedad - están confinadas a tres dimensiones. Esto podría explicar por qué la gravedad es más débil que las otras fuerzas.
Según Krause y Fischbach, la explicación de esta debilidad podría ser que la gravedad se proyecta hacia otras dimensiones espaciales y se convierte así en la quinta fuerza de la naturaleza, además de presentarse como el hipotético camino para acceder a esas supuestas dimensiones adicionales.
Si este experimento funciona según lo previsto, las consecuencias serían importantes tanto en los órdenes físico y conceptual, por la revisión que implicaría respecto a enunciados actuales de la naturaleza y a nuestra concepción del mundo.
Impacto nanotecnológico
También tendría un efecto industrial no menos interesante porque el descubrimiento de esta quinta fuerza sería tremendamente útil para la construcción de las nanomáquinas, ya que incorporaría a esta tecnología el conocimiento de las leyes que rigen en el universo a muy pequeña escala. Al mismo tiempo, este descubrimiento tendería un puente entre el abismo que hoy separa a la física fundamental de la aplicada, según sus artífices.
De momento, sólo se conoce la ley recogida en el efecto Casimir, por lo que para poder afirmar más cosas será preciso comprobar que el sistema ideado por Krause y Fischbach para medir en otras condiciones la débil fuerza generada por partículas virtuales, realmente funciona.
Por otro lado, habrá que esperar a ver si este nuevo experimento descubre realmente esas fuerzas exóticas de la naturaleza que ambos buscan y de las que de momento sólo tenemos indicios. Curiosamente, piezas de nanotecnolgía serán empleadas en el experimento, como un anticipo de lo que supondrá para el desarrollo de estos productos.