El Efecto Casimir y algunos misterios por desvelar

Hendrik Casimir. 1909 Director of Philips’ research laboratories, Eindhoven, Netherlands Assistant to Wolfgang Pauli: Winter semester 1932-1933 – Summer semester 1933 © Pauli Archive, CERN, Geneva.

El que arriba vemos era el físico teórico holandés Hendrik Casimir que fue el primero en observar que cuando dos espejos se enfrentaban en el vacío, las fluctuaciones en el vacío ejercen “presión de radiación” sobre ellos. En media, la presión externa es mayor que la presión interna. Ambos espejos se atraen mutuamente hacia el otro por la llamada Fuerza de Casimir. La fuerza F ~ A / d4 , donde A es el área de los espejos y d es la distancia entre los mismos.

La Fuerza de Casimir es el efecto mecánico más famoso de las fluctuaciones del vacío. Considera la separación entre dos espejos planos como una cavidad . Todos los campos electromagnéticos tienen un “espectro” característico que contienen muchas frecuencias distintas. En un vacío libre todas las frecuencias tienen la misma importancia. Pero dentro de la cavidad, donde el campo es reflejado sucesivamente entre los espejos, la situación es distinta. El campo se amplifica si múltiplos enteros de la mitad de la longitud de onda encajan exactamente en la cavidad. Esta longitud de onda corresponde a la “resonancia de cavidad”. A otras longitudes de onda, por contra, se suprime el campo. Las fluctuaciones del vacío se suprimen o aumentan dependiendo de si la frecuencia corresponde a la resonancia de cavidad o no.

Una cantidad física importante cuando se discute la Fuerza de Casimir es la “presión de radiación de campo”. Cada campo –incluso en campo de vacío– lleva energía. Como todos los campos electromagnéticos puede propagarse en el espacio también ejercen presión en las superficies, como un río que fluye y empuja una compuerta. Esta presión de radiación aumenta con la energía – y por tanto la frecuencia – del campo electromagnético. En la frecuencia de resonancia de cavidad la presión de radiación dentro de la cavidad es más fuerte que la del exterior y los espejos por lo tanto son alejados. Fuera de la resonancia, por contra, la presión de radiación dentro de la cavidad es menor que la del exterior y los espejos se unen.

Ilustración del Efecto Casimir: Este fenómeno se debe a que los fotones situados entre dos placas conductoras no pueden oscilar con cualquier frecuencia, sino solo con las que resultan compatibles con las condiciones de contorno que las placas imponen sobre el campo electromagnético en uno y otro extremo

Esto supone que, en equilibrio, los componentes atractivos tienen un impacto ligeramente mayor que los repulsivos. Para dos espejos planos perfectos paralelos la Fuerza de Casimir es, por lo tanto, atractiva y los espejos son empujados uno contra otro. La fuerza, F, es proporcional al área de la sección, A, de los espejos y se incrementa 16 veces cada vez que la distancia, d, entre los espejos se reduce a la mitad: F ~ A / d 4. Aparte de estas cantidades geométricas la fuerza depende solo de valores fundamentales – la constante de Planck y la velocidad de la luz.

Mientras que la Fuerza de Casimir es demasiado pequeña para ser observada para espejos que están separados varios metros, puede ser medida si los espejos están a unas micras uno de otro. Por ejemplo, dos espejos con un área de 1 cm2 separados por una distancia de 1 µm tienen una Fuerza de Casimir atractiva de unos 10^-7 N – aproximadamente el peso de una gotita de agua de medio milímetro de diámetro. Aunque esta fuerza podría parecer pequeña, a distancias por debajo de un micrómetro la Fuerza de Casimir se convierte en la mayor fuerza entre dos objetos neutros. De hecho a separaciones de 10 nm – unas cien veces el tamaño normal de un átomo – el efecto Casimir produce el equivalente a 1 atmósfera de presión.

Aunque no tratamos directamente con estas distancias tan pequeñas en la vida diaria, son importantes en las estructuras nano-escalares y los sistemas micro-electromecánicos (MEMS). Estos son dispositivos “inteligentes” del tamaño de una micra en lo que los elementos mecánicos y partes móviles, tales como diminutos sensores y actuadores son tallados en un sustrato de silicio. Los componentes electrónicos están conectados a los dispositivos para procesar información sensible o para guiar el movimiento de las partes mecánicas. Los MEMS tienen muchas aplicaciones posibles en la ciencia y la ingeniería, y ya se usan como sensores de presión en los air-bags de los vehículos.

 La Fuerza de Casimir, (que realmente está ahí) y que es más perceptible a distancias submicrométricas, puede afectar a los sistemas micro-electromecánicos, o MEMS.

(a) Estos dispositivos MEMS constan de una placa de poli-silicio suspendido en una barra de torsión de solo unos pocos micrómetros de diámetro. Cuando la esfera metalizada (púrpura) se aproxima a la placa, la Fuerza atractiva de Casimir entre los dos objetos hacen que la placa gire alrededor de la barra.

(b) Un micrográfico electrónico del dispositivo que muestra la placa de poli-silicio.

(c) Una vista cercana de la barra.

Son muchos los experimentos que han medido el Efecto Casimir y, como otros fenómenos de la Naturaleza, este conocimiento nos dará la opción de saber en qué puede incidir para, si conviene aprovecharlo y, si en ciertas situaciones pudiera ser nocivo, evitarlo poniendo los medios para ello.

Cuando la esfera se acerca a la placa, la Fuerza atractiva de Casimir hace que la diminuta traviesa se doble. Esta curvatura se mide mediante el rebote de un láser sobre el saliente y usando un fotodiodo para captar la luz reflejada. El micrográfico electrónico muestra una esfera metalizada unida a la punta de una traviesa triangular de un microscopio de fuerza atómica.

En 1.948, el físico holandés Hendrik Casimir demostró que la teoría cuántica puede crear energía negativa: tomemos simplemente dos placas de metal paralelas y descargadas ordinariamente, el sentido común nos dice que estas dos placas, puesto que son eléctricamente neutras, no ejercen ninguna fuerza entre sí. Pero Casimir demostró que, debido al principio de incertidumbre de Werner Heisenberg, en el vacío que separa estas dos placas existe realmente una agitada actividad, con billones de partículas y antipartículas apareciendo y desapareciendo constantemente. Aparecen a partir de la “nada” y vuelven a desaparecer en el “vacío”. Puesto que son tan fugaces, son, en su mayoría, inobservables, y no violan ninguna de las leyes de la física. Estas “partículas virtuales” crean una fuerza neutra atractiva entre estas dos placas que Casimir predijo que era medible.

La próxima generación de láseres tendrá la capacidad de crear materia al capturar ‘partículas fantasma’ que, según la mecánica cuántica, parecen llenar el espacio vacío. El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica dice que el espacio nunca puede estar completamente vacío. En realidad, hay fluctuaciones aleatorias que dan lugar a un conjunto de partículas como electrones y positrones, su homólogo en la antimateria.

Las llamadas ‘partículas virtuales’ suelen anularse la una a la otra demasiado rápido como para poder verlas. Sin embargo, ya en los años 30 los físicos predijeron que un fuerte campo eléctrico transformaría las partículas virtuales en partículas reales que podemos observar. El campo las empuja en direcciones opuestas porque tienen cargas eléctricas opuestas, separándolas tanto que no se pueden destruir entre ellas.

Los láseres están capacitados idealmente para esta tarea porque su luz abarca todos los campos eléctricos fuertes. En 1997, los físicos del Linear Accelerator Center de California utilizaron luz láser para crear unos pocos pares electrón-positrón. Ahora, nuevos cálculos sugieren que la próxima generación de láseres podrá crear estas parejas por millones. Pero, sigamos con Casimir.

       De las llamadas fluctuaciones de vacío pueden surgir, partículas virtuales y quién sabe que cosas más… Hasta un nuevo Universo. El efecto Casimir en el vacío cuántico.

Cuando Casimir publicó el artículo, se encontró con un fuerte escepticismo. Después de todo, ¿cómo pueden atraerse dos objetos eléctricamente neutros, violando así las leyes normales de la electricidad clásica? Esto era inaudito. Sin embargo, en 1.985 el físico M. J. Sparnaay observó este efecto en el laboratorio, exactamente como había predicho Casimir. Desde entonces (después de un sin fin de comprobaciones), ha sido bautizado como el efecto Casimir.

Una manera de aprovechar el efecto Casimir mediante grandes placas metálicas paralelas descargadas, sería el descrito para la puerta de entrada y salida del agujero de gusano de Kip S. Thorne para poder viajar en el tiempo. ¿Os acordáis de la película Contac?

La energía negativa o materia exótica podría mantener abierta la “puerta” de entrada al agujero de gusano para poder viajar a otros universos (según Thorne) y, de alguna manera, esa rara materia se podría crear mediante el aprovechamiento del Efecto Casimir. ¡Qué cosas se le ocurren a algunos!

Por el momento, al no ser una propuesta formal, no hay veredicto sobre la máquina del tiempo de Thorne. Su amigo, Stephen Hawking, dice que la radiación emitida en la entrada del agujero sería suficientemente grande como para contribuir al contenido de materia y energía de las ecuaciones de Einstein. Esta realimentación de las ecuaciones de Einstein distorsionaría la entrada del agujero de gusano, incluso cerrándolo para siempre. Thorne, sin embargo, discrepa en que la radiación sea suficiente para cerrar la entrada.

Aquí es donde interviene la teoría de supercuerdas. Puesto que la teoría de supercuerdas es una teoría completamente mecano-cuántica que incluye la teoría de la relatividad general de Einstein como un subconjunto, puede ser utilizada para calcular correcciones a la teoría del agujero de gusano original.

En principio nos permitiría determinar si la condición AWEC es físicamente realizable, y si la entrada del agujero de gusano permanece abierta para que los viajeros del tiempo puedan disfrutar de un viaje al pasado.

De todas las maneras y desde todos los ángulos que lo podamos mirar, si algún día, las máquinas del tiempo, son posibles, el peligro estaría servido. ¿Quién sería el encargado de controlar su uso? ¿Quién se encargaría de controlar al encargado? y así podríamos seguir indefinidamente, tal es el volumen de gravedad del problema que generaría la existencia de máquinas del tiempo para viajar hacia atrás o hacia delante.

Nuestra línea de universo resume toda nuestra historia, desde que nacemos hasta que morimos. Cuanto más rápido nos movemos más se inclina la línea de universo. Sin embargo, la velocidad más rápida a la que podemos viajar es la velocidad de la luz. Por consiguiente, una parte de este diagrama espacio-temporal está “prohibida”; es decir, tendríamos que ir a mayor velocidad que la luz para entrar en esta zona prohibida por la relatividad especial de Einstein, que nos dice que nada en nuestro universo puede viajar a velocidades superiores a c.

Antes comentaba algo sobre disfrutar de un viaje al pasado pero, pensándolo bien, no estaría yo tan seguro. Rápidamente acuden a mi mente múltiple paradojas que, de una u otra especie han sido narradas, principalmente por escritores de ciencia-ficción que, por lo general, son los precursores del futuro.

Robert A. Heinlein

Tenemos una que, ideada por Robert A. Heinlein en su clásico relato corto “All you Zombies”, nos cuenta lo siguiente:

“Una niña es misteriosamente abandonada en un orfanato de cierto lugar en el año 1.945. La niña, Jane, crece solitaria y triste, sin saber quiénes son sus padres, hasta que un día se siente extrañamente atraída por un vagabundo. Ella se enamora de él, pero precisamente cuando parece que las cosas empiezan a ir bien para Jane, ocurren una serie de desastres. En primer lugar, se queda embarazada del vagabundo, que seguidamente desaparece. En segundo lugar, durante el complicado parto, los doctores descubren que Jane tiene dos conjuntos de órganos sexuales y, para salvar su vida, se ven obligados a transformar quirúrgicamente a “ella” en “él”. Finalmente, un misterioso extraño rapta a su hija de la sala de partos.”

Destrozado por estos desastres, rechazado por la sociedad, desahuciado por el destino, “él” se convierte en un borracho vagabundo. Jane no sólo perdió a sus padres y a su único amor, sino que también ha perdido a su hija.

Años más tarde, en 1.970, entra en un bar solitario y cuenta, entre copa y copa, su patética historia a un viejo camarero. El compasivo camarero ofrece al vagabundo la oportunidad de vengarse del extraño que la dejó embarazada y abandonada, a condición de que se una al “cuerpo de viajeros del tiempo”. Ambos entran en una máquina del tiempo y el camarero deja al vagabundo en 1.963. El vagabundo se siente fuerte y extrañamente atraído por una joven huérfana, que luego deja embarazada.

El camarero sigue a continuación nueve meses hacia delante, secuestra a la niña del hospital y la abandona en un orfanato en 1.945. Luego, el camarero deja al vagabundo totalmente confuso en 1.985, para alistarse en el cuerpo de viajeros del tiempo. El vagabundo consigue rehacer su vida, se convierte en un miembro anciano y respetado del cuerpo de viajeros del tiempo, y luego se disfraza de camarero y tiene una misión más difícil: una cita con el destino, encontrar a un viejo vagabundo en un bar en el año 1.970”.

Pero, terminemos con la historia.  La pregunta a todo esto es: ¿quién es la madre, el padre, el abuelo, la abuela, el hijo, la hija, la nieta el nieto… de Jane? La muchacha, el vagabundo y el camarero, por supuesto, son todos la misma persona. Estas paradojas pueden causar mareos cuando tratamos de desentrañar la retorcida parentela de Jane.

Si viajar en el tiempo finalmente pudiera ser posible, cosas parecidas a esta locura ¡“podrían ocurrir”! ¡Imaginación! eso es lo que nos distingue de otros seres vivos.

¿Es un astronauta lo que se ve ahí? La iglesia empezó a construirse en 1513 y hubo restauraciones pues fue parcialmente dañada en guerras y temblores, la última restauración fue en 1995 y alguien pensaría que ahí aprovecharon para poner ese astronauta, pero no, hay fotos anteriores a ese año. ¿Astronautas del siglo XXVII? Bueno, en algunos grabados de aquellas civilizaciones antiguas, están presentes imágenes que parecen estar vestido con un traje espacial con casco, la de arriba aparece en un pilar de la catedral de Salamanca en España.

¿Raro no?, y no es el único astronauta medieval, incluso los sumerios tienen el suyo. ¿Podrían otras civilizaciones haber desarrollado ya esos conocimientos que nosotros ahora sólo hemos empezado a presentir?

La naturaleza no sólo es más extraña de lo que suponemos; es más extraña de lo que podamos suponer. Nos decía I. B. S. Haldane, y, desde luego, si alguna vez se llegan a conseguir los viajes en el Tiempo, nunca se habrá predicho de manera tan exacta hasta donde nos podrían llevar los extraños caminos que la Naturaleza esconde para que los descubramos.

Pero, sigamos un momento más con Hawking que ya no dedica el grueso de su energía creativa al campo que le hizo mundialmente famoso: los agujeros negros, que ahora ya están superados. Él persigue una pieza mayor: la teoría de campo unificado. La teoría de cuerdas, recordémoslo, empezó como una teoría cuántica y posteriormente absorbió a la teoría de la gravedad de Einstein. Hawking, partiendo como un puro relativista clásico más que como un teórico cuántico, enfoca el problema desde el punto de vista inverso. Él y su colega James Hartley parten del universo clásico de Einstein, y luego ¡cuantizan el universo entero!

¿Quién puede dar una explicación clara y precisa de lo que es la gravedad cuántica y la cosmología cuántica? ¿No se contradicen ambas? La primera trata del universo de lo muy pequeño y, la segunda, sin embargo, se refiere a lo muy grande. Sin embargo, el hombre elucubra sin cesar y llega a rincones del pensamiento que, no pocas veces parecen alejados de la lógica y la razón.

Hawking es uno de los fundadores de una nueva disciplina científica, denominada cosmología cuántica. A primera vista, esto parece una contradicción en los términos. La palabra cuántico se aplica al mundo infinitesimalmente pequeño de los quarks y los neutrinos, mientras que cosmología significa la extensión casi ilimitada del espacio exterior. Sin embargo, Hawking y otros creen ahora que las preguntas finales de la cosmología sólo pueden ser contestadas por la teoría cuántica. Hawking lleva la teoría cuántica a las últimas consecuencias cuánticas, que permiten la existencia de un número infinito de universos paralelos.

Recordemos que el punto de partida de la teoría cuántica está en el cuanto de acción de Planck, h, que más tarde desarrollaron Werner Heisenberg, con su principio de incertidumbre, y Schrödinger, con su función de ondas, Y, que describe todos los diversos estados posibles de una partícula. Cuanto más grande y oscuro es el nubarrón, mayor es la concentración de vapor de agua y polvo en el lugar en el que está situada la nube, con lo cual, podemos estimar rápidamente la probabilidad de encontrar grandes concentraciones de agua y polvo en ciertas partes del cielo. De hecho, un grupo de científicos hallan la Mayor Reserva de Agua en el Espacio.

Dos equipos de astrónomos del Instituto de Tecnología de California (Caltech) encontraron la mayor reserva de agua alrededor de un cuásar -uno de los cuerpos más brillantes y más violentos del Universo- a 12 mil millones de años luz de la Tierra, lo que la hace, también, la más lejana.

La cantidad de vapor de agua es equivalente a 140 mil billones de veces de toda el agua en los océanos de nuestro planeta; su temperatura es de menos 53 grados Celsius y es 300 mil millones de veces menos denso que la atmósfera de la Tierra, pero de 10 a 100 veces más denso que lo típico en las galaxias como la Vía Láctea.

Sigamos con la teoría de Hawking. El nubarrón puede compararse a una sola función de onda electrónica. Al igual que el nubarrón, esta llena todo el espacio. Análogamente, cuanto mayor es su valor en un punto, mayor es la probabilidad de encontrar allí el electrón. Así mismo, las funciones de onda pueden estar asociadas con objetos grandes, como personas. Ahora mismo, que estoy sentado en mi sillón de la mesa del despacho que tengo en mi casa para escribir sobre ciencia, sé que tengo una función de onda de probabilidad de Schrödinger. Si de algún modo pudiera ver mi función de onda, se parecería a una nube con una forma muy aproximada a la de mi cuerpo. Sin embargo, algo de la nube se extenderá por todo el espacio, más allá de Júpiter e incluso más allá del Sistema Solar, aunque allí sea prácticamente nula. Esto significa que existe una probabilidad muy grande de que yo esté, de hecho, sentado en mi sillón y no en el planeta Júpiter. Aunque parte de mi función de onda se extienda incluso más allá de la Vía Láctea, hay sólo una posibilidad infinitesimal de que yo este sentado en otra galaxia.

Múltiples universos conectados por agujeros de gusano. También agujeros que nos llevaran de galaxia en galaxia, o, incluso entre regiones de nuestra propia galaxia que, tan alejados están los unos de los otros que, recorrerlos físicamente por el método tradicional de un viaje, sería imposible.

La nueva idea de Hawking consistía en tratar el universo entero como si fuera una partícula cuántica. Repitiendo algunos pasos simples, nos dirigimos a conclusiones esclarecedoras.

Empezamos con una función de onda que describe el conjunto de todos los universos posibles. Esto significa que el punto de partida de la teoría de Hawking debe ser un conjunto infinito de universos paralelos, la función de onda del universo. El análisis bastante simple de Stephen Hawking, reemplazando la palabra partícula por universo, ha conducido a una revolución conceptual en nuestras ideas sobre la cosmología.

Según esta imagen, la función de onda del universo se extiende sobre todos los universos posibles.

El objetivo al que se enfrentan los cosmólogos cuánticos es verificar matemáticamente esta conjetura, demostrar que la función de onda del universo es grande para nuestro universo presente y prácticamente nula para los demás universos. Esto demostraría entonces que nuestro universo familiar es en cierto sentido único y también estable. Por el momento, los cosmólogos cuánticos son incapaces de resolver este importante problema.

                            Un equipo internacional de astrónomos detecta las galaxias mas lejanas jamas encontradas.

Si tomamos a Hawking en serio, ello significa que debemos empezar nuestro análisis con un número infinito de todos los universos posibles en mutua coexistencia. Para decirlo de otra manera, la definición de la palabra universo ya no sería “todo lo que existe”; ahora significa “todo lo que puede existir”.

En fin, amigos míos, lo que siempre decimos, los teóricos exponen sus teorías que no siempre tenemos los medios para poder verificar pero, no podemos ponerles puertas al campo y, la Imaginación, debe volar libre por los espacios siderales de los pensamientos que, mientras no se muestre lo contrario, son ilimitados. De hecho, es lo único realmente infinito que existe en nuestro Universo: La Imaginación y los pensamientos que genera.

emilio silvera

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