¿Porqué el vacío no está vacío?

Es difícil de negar algo que por senso propio intuitivamente lo es. El vacío tal y cómo nos haría pensar por su nombre no contiene nada, pero si enfocamos esta cuestión desde la física cuántica, son varios los ejemplos, hipótesis y experimentos que contra toda lógica nos acercan a pensar que sí  pueda contener algo. Además las aplicaciones o consecuencias de esa simple presencia inmersa en la ausencia son numerosas. Hasta el momento,  se han realizado varios experimentos que confirman ciertas propiedades y efectos no tan intuitivos. Por otro lado, hallazgos recientes sobre la actividad de una estrella de neutrones cercana a nuestro planeta nos acercan a la posibilidad de atribuir una nueva propiedad al vacío que, cada vez, más características alberga.

En primer lugar y parafraseando a Joseph Silk, astrofísico británico, tal y como dice en  su obra On the shores of the unknown:

“La teoría cuántica afirma que el vacío, incluso el más perfecto vacío privado de materia, no está realmente vacío. El vacío cuántico puede ser descrito como un mar de pares de partículas continuamente apareciendo y desapareciendo. Estas partículas son virtuales y en ningún instante, el vacío está completo de estos pares virtuales, los cuales dejan su firma atrás afectando a los niveles energéticos de los átomos.’’

 Esta cita hace referencia al comportamiento del vacío según la electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés), parte de la física cuántica que se encarga de explicar el electromagnetismo desde un punto de vista cuántico y describe los fenómenos que implican a partículas eléctricamente cargadas.

Para acercar más al conocimiento de dicho fenómeno, se deben comentar efectos que proporcionan al vacío una serie de propiedades:

  •  En primer lugar tendríamos el efecto Casimir o “Casimir Polder-force”. El holandés Hendrik Casimir describió dicho efecto mientras intentaba calcular las fuerzas de van der Waals entre dos partículas cargadas. Su descripción original habla sobre que entre dos placas sin carga alguna, se genera una fuerza atractiva que correría a cargo de fotones virtuales. En el electromagnetismo clásico, éste no sería el efecto esperado puesto que ambas placas no tienen carga, pero descrito en términos Resultado de imagen de fotones creaciónde ‘’La teoría de campos cuánticos’’, sí que es posible.
    Del mismo modo, este efecto es el llamado a ser responsable de ponerle límite a la temperatura mínima teóricamente posible (-273,15 ºC). El conocimiento de este hecho podría ser de gran ayuda a la hora de crear ‘’microrrefrigeradores cuánticos” según apuntan últimas investigaciones llevadas a cabo por Nahuel Freitas, su director, Juan Pablo Paz y su equipo de investigadores del Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA): máquinas térmicas que son capaces de enfriar un espacio mediante el intercambio de energía a un nivel cuántico.
  • El segundo fenómeno a considerar que da vida desde el vacío es la emisión espontánea. En sentido estricto, dicho fenómeno es atribuible tanto a un átomo, molécula o núcleo subatómico. Se trata de la sobreexcitación de cualquiera de estos elementos que los hace decaer energéticamente generando así cuantos energéticos en forma de fotones. Del mismo modo, es este fenómeno el que produce la mayoría de luz visible de nuestro alrededor. Estas transiciones energéticas no podrían ser posibles de no ser por fluctuaciones en el vacío según la cuantización electrodinámica del vacío. Estas fluctuaciones en el vacío refieren a cambios energéticos en un punto definido del vacío. Tal y como explica el principio de incertidumbre de Heisenberg, esto permite la creación de pares partícula-antipartícula.
  • También citar el efecto Lamb, el cual habla sobre la variación energética asociada a dos niveles de energía distintos medidos en dos posiciones excitadas del electrón (2s y 2p) del átomo de hidrógeno. De no ser por el efecto Lamb, ambos niveles excitados deberían tener el mismo valor energético según la ecuación de Schrödinger, pero se descubrió que el nivel 2s era más energético que el 2p. La razón residía en que existía un intercambio de fotones continuo entre el electrón y el protón del núcleo (en el vacío), estableciéndose una relación entre el núcleo y el electrón que neutraliza el efecto de la carga de ambos que cabría esperar, lo que le hace tener menos atracción por el núcleo y ser, por tanto, más energético que el electrón del nivel 2p.

Estos eran hasta la fecha los indicios más claros de propiedades en el vacío. Volviendo a la actualidad, recientemente se han realizado observaciones en la estrella de neutrones RX J1856.5-3754, a 400 años luz de la Tierra, por un equipo de investigadores liderados por Roberto Mignani, del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) italiano, en Milán, junto a científicos de la Universidad polaca de Zielona Gora, han logrado, captar signos de una propiedad cuántica en el espacio vacío.

Las observaciones señalan que la estrella de neutrones debido a la elevada densidad de su núcleo (por lo menos diez veces más que el Sol), posee un campo magnético extraordinariamente fuerte. Tanto, que sus efectos son capaces de alterar el espacio en los alrededores de la estrella.

Esta propiedad se debe a que las partículas virtuales que residen en el vacío, cuando son sometidas a un campo magnético de tales dimensiones, acaban produciendo la polarización en la luz emitida por el astro (del 16% según el estudio comentado). Así lo afirma Mignani, „según la QED (de sus siglas en inglés quantum electrodynamic), un vacío altamente magnetizado se comporta como un prisma en cuanto a la propagación de la luz, un efecto conocido como birrefrigerancia al vacío“.

Dicho efecto no se dejaría explicar por ningún otro fenómeno experimental a nuestro alcance. Solamente circunstancias astrofísicas similares habrían dado luz a esta nueva  característica. Así pues, a falta de confirmar mediante otros estudios los resultados, se confirmaría un nuevo efecto que dota de una novedosa propiedad al vacío.

Podemos concluir diciendo que poco a poco se dan más pinceladas a un concepto que, paradójicamente, debería quedar impoluto.

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