En realidad, el espacio vacío nunca está realmente vacío.
Incluso un campo cuántico en su estado de menor energía, el vacío, tiene fluctuaciones inevitables que surgen del principio de incertidumbre de Heisenberg: ciertos pares de propiedades no pueden tener valores definidos con precisión al mismo tiempo.
En términos del mundo real, esto significa que un campo cuántico debería parecerse a un televisor con estática, y mucha evidencia indirecta sugiere que este es el caso.
Ahora, sin embargo, los físicos dirigidos por Yansheng Zhang de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido han logrado un gran avance: han obtenido imágenes directas de las fluctuaciones en un campo cuántico fabricado en laboratorio.
“La observación de tales fluctuaciones en el límite del seno-Gordon abre muchas posibilidades para simulaciones de laboratorio de campos relativistas en regímenes que actualmente no son teóricamente manejables”, escriben en una preimpresión publicada en arXiv.
Las fluctuaciones del vacío no son sólo una tontería teórica: en realidad tienen efectos reales en el Universo físico.
Los átomos excitados que interactúan con las fluctuaciones en el vacío pueden descomponerse espontáneamente a un estado inferior, emitiendo un fotón en el proceso. Los electrones de un átomo de hidrógeno pueden tener niveles de energía ligeramente diferentes debido a interacciones de fluctuación.
Luego está el efecto Casimir. Si se colocan dos placas conductoras muy juntas en el vacío, experimentan una fuerza mensurable que las atrae entre sí debido a la diferencia en las fluctuaciones cuánticas entre las placas en comparación con el exterior de las placas.
Diablos, incluso juegan un papel en la radiación teórica de Hawking emitida en el límite de un agujero negro.
Y en cosmología, se cree que pequeñas fluctuaciones cuánticas primordiales se extendieron a escalas enormes durante la inflación cósmica. Esas pequeñas variaciones eventualmente proporcionaron las semillas de las cuales se acumuló la materia, produciendo en última instancia la red cósmica de galaxias y cúmulos que vemos hoy.
La teoría cuántica de campos describe el Universo como permeado por campos, con partículas que emergen como excitaciones en esos campos. Cada campo puede considerarse como una colección de modos de diferentes longitudes de onda, un poco como las diferentes formas en que puede vibrar una cuerda de guitarra.
Cada modo se comporta un poco como un oscilador armónico cuántico: la versión mecánica cuántica de una masa que rebota sobre un resorte. Y gracias a la incertidumbre cuántica, incluso en su estado de energía más bajo posible, ese oscilador nunca puede estar perfectamente quieto.
Pero para algo que tiene efectos tan profundos en el Universo físico, las fluctuaciones cuánticas son extremadamente difíciles de observar directamente. Son extremadamente pequeños, inherentemente aleatorios y no presentan un objetivo claro al que los científicos puedan apuntar con un detector.
Por lo tanto, la mayoría de las observaciones de fluctuaciones cuánticas han medido sus consecuencias, no las fluctuaciones mismas.
Aquí es donde los condensados de Bose-Einstein entran en escena.
Un condensado de Bose-Einstein (BEC) es una nube de átomos ultrafríos, enfriados a sólo un pelo por encima del cero absoluto. A estas temperaturas, los átomos se comportan colectivamente como un único sistema cuántico, lo que permite observar efectos cuánticos a través de la nube.
Entonces, en lugar de intentar obtener imágenes del vacío del espacio vacío, Zhang y su equipo construyeron un campo cuántico que pudieron observar: un BEC bidimensional de átomos de potasio-39.
Los investigadores utilizaron dos estados internos diferentes de los átomos de potasio-39, que acoplaron mediante ondas de radio.
El campo cuántico que querían estudiar estaba codificado en los estados de espín de los átomos: esencialmente, las variaciones en el espín a través de la nube se comportaban como variaciones en un campo cuántico.
Y, como el BEC está hecho de átomos, los investigadores pudieron obtener imágenes de ellos y reconstruir las variaciones locales (las fluctuaciones cuánticas) en la diminuta carne.
Pero hay otras cosas que pueden provocar fluctuaciones. Variaciones de temperatura. Ruido experimental. Entonces, para descubrir que la pelusa estática que surgió en el BEC era en realidad el resultado de fluctuaciones del vacío, los investigadores explotaron las propiedades de los osciladores cuánticos con un experimento de amplificación.
Primero, prepararon el campo de espín cerca de su estado fundamental. Luego, cambiaron repentinamente la fuerza del acoplamiento entre los dos estados atómicos. Ese cambio fue diseñado para amplificar las pequeñas fluctuaciones ya presentes en el campo.
Un oscilador con energía cero no respondería a este cambio comenzando a oscilar repentinamente, pero un oscilador cuántico en su estado fundamental no está perfectamente quieto. Conserva esa inquietud básica debida a la incertidumbre cuántica. Cambiar el sistema hace que esas fluctuaciones preexistentes evolucionen hasta convertirse en oscilaciones mensurables, y esto es lo que observaron los investigadores.
La siguiente parte es donde se vuelve realmente divertido.
Realizaron las mismas mediciones sin amplificar primero las fluctuaciones, observando cómo la fuerza de la fluctuación cambiaba con la frecuencia. Las fluctuaciones del vacío cuántico y las fluctuaciones térmicas ordinarias producen patrones claramente diferentes.
Y, una vez más, consiguieron un éxito. Las fluctuaciones disminuyeron con una frecuencia creciente exactamente como se esperaba para las fluctuaciones del vacío, en lugar del ruido térmico.
En realidad, esto es realmente emocionante.
Es importante destacar que el BEC se puede ajustar para que se comporte como un tipo de campo cuántico relativista conocido como campo sinusoidal de Gordon. Esto proporciona a los investigadores un modelo de laboratorio en el que potencialmente pueden observar cómo las fluctuaciones cuánticas evolucionan hacia fenómenos mucho más grandes y complejos.
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Hay algunas situaciones en la teoría cuántica en las que las matemáticas se vuelven tremendamente difíciles. Este nuevo sistema significa que, en lugar de sentarse y resolver ecuaciones horrendas, los científicos podrían construir un sistema cuántico controlable regido por física análoga y observar qué sucede.
Los investigadores dicen que su sistema podría ayudar a investigar situaciones como la desintegración por falso vacío, un proceso potencialmente destructor del Universo; producción de partículas; y la formación y decadencia de defectos topológicos en campos cuánticos.
“El hecho de que podamos observar directamente las fluctuaciones de campo en el régimen en el que la incertidumbre cuántica domina sobre el ruido térmico podría ofrecer una ventana única a los mecanismos microscópicos que gobiernan estos fenómenos”, escriben.
La investigación, que aún debe someterse a revisión por pares, está disponible en el servidor de preimpresión arXiv.
Este artículo fue verificado por Rebecca Dyer y editado por Rebecca Dyer. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.