El antiparmenídeo efecto Casimir en el vacío cuántico: Del no-ser se engendra el ser
Χρὴ τὸ λέγειν τε νοεῖν τ’ ἐὸν ἔμμεναι· ἔστι γὰρ εἶναι,
μηδὲν δ’ οὐκ ἔστιν· τά σ’ ἐγὼ φράζεσθαι ἄνωγα.
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Necesario es que aquello que
es posible decir y pensar, sea.
Porque puede ser,
mientras que lo que nada es,
no lo puede.
Esto te pido consideres.
Parménides. “Sobre la Naturaleza” (s. V a.e.c.)
Raíces clásicas y modernas, de la ciencia contemporánea
En visión de mundo antigua, se asumió por defecto: “Ex nihilio fit” (De la nada, nada surge). Principio que históricamente es remontado a la tradición de los eléatas, en las colonias helénicas de la Magna Grecia, hoy Sicilia. Particularmente, la referencia pertenece a Parménides, quien en su esotérico poema: “Sobre la naturaleza”, afirmó que de la nada, es decir, el no-ser, no puede engendrarse el ser, esto es, de la nada no puede surgir algo espontáneamente. De esta tesis general, se derivó su concepción de mundo: continuo, finito y estacionario, pero eterno, sin principio ni fin. En el verso 6, Parménides considera imposible hablar o tan solo pensar en el No-Ser, y en el verso 8, sentencia que el ser, no pudo no haber sido, ni puede dejar de ser: “lo que es no se ha generado y es imperecedero […] Ni nunca fue, ni será, puesto que es, ahora, junto todo, uno, continuo.” (Diels-Kranz, 28 B fr. 8, 9). Meliso de Samos señala que el ser no puede originarse o engendrarse, pues en tal caso debería surgir de la nada, pero si fuese nada, no podría engendrarse de la nada, (Diels-Kranz, 30 B, 1). Para Aristóteles no se engendra tampoco nada del No-Ser (Phys., I VIII). De ahí entonces, que la ausencia de ser, es decir, la nada, pasa asociarse con la idea de vacío. En sentido de la física aristotélica, no puede darse el vacío o el no ser, en el ser, esto es la naturaleza. Por ello la idea del vacío se consideró absurda, lo cual llevó al estagirita, a rechazar la teoría atómica de Demócrito de Abdera, que postulaba que la constitución última de la naturaleza eran los átomos y el vacío. Dos principios, que fueron rechazados de plano por Aristóteles, al considerar que la naturaleza es infinitamente divisible, y tiene “horror al vacío”. Ideas que se mantuvieron por más de 20 siglos. La creencia tal que en la naturaleza no se puede dar el vacío, tendría que esperar hasta el siglo XVII, para que fuera finalmente confutada, con datos experimentales de la física de moderna. Esto aconteció en 1644, cuando Evangelista Torricelli, por sugerencia de Galileo Galilei, llevó a cabo un experimento, por medio del cual logró medir la presión atmosférica por primera vez, diseñando y utilizando un barómetro de mercurio; pero también, no sólo demostró que la naturaleza no aborrece el vacío, sino que es sencillo producirlo.
No obstante, lo que la física moderna deja en evidencia en primera instancia, es que el vacío, no es sinónimo del No-Ser (nada) metafísico, esto es, no existe ningún vacío absoluto, sino relativo; lo cual tampoco daba pie para afirmar, que el ser, esto es, los entes, los existentes del mundo, pudieran no someterse al principio de causalidad, y surgir espontáneamente de alguna nada.
De ahí, que la física moderna se sustente en dos principios fundamentales:
1) La ley de conservación de la masa, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier y;
2)La ley de la conservación de la energía o primera ley de la termodinámica.
En uno y otro caso, pueden resumirse ambos principios en lo siguiente: la materia y la energía no pueden crearse ni destruirse, sólo se pueden cambiar de una forma a otra.
La gran síntesis de ambos principios de conservación, se dará con el principio de equivalencia entre energía en masa, presente en la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, y por medio de la ecuación: E=MC², la cual implica que la presencia de una cierta cantidad de masa conlleva una cierta cantidad de energía aunque la primera se encuentre en reposo.
Resulta particularmente interesante, que Einstein, cuando lleva su teoría de la relatividad especial al plano de la gravitación (relatividad general), guarda diversas reservas paramenídeas aun. El universo eisteniano, es finito, continuo y estacionario (-por lo que en contra de lo que su propia teoría predecía de un universo dinámico, introdujo su constante gravitacional para mantenerlo estático-), pero ilimitado.
El vacío cuántico, está lleno de energía y es una autopista efervescente de partículas.
Con el surgimiento de la Mecánica Cuántica a principios del siglo XX, los remanentes del universo parmenídeo, parecen desplomarse por completo. A pesar que las analogías entre el vacío clásico y el vacío cuántico, intentan ilustrar metafóricamente, en términos macroscópicos, lo que que sucede en el microcosmos de las partículas, comúnmente a partir de ellas, se cometen graves errores en la comprensión de los fenómenos cuánticos.
El vacío cuántico, tiene mucho de cuántico y poco de vacío, puesto que en primera instancia, de acuerdo al principio de incertidumbre de Heisenberg, no puede estar vacío, todo lo contrario, se considera dotado de energía de punto cero, el más básico de los estados energéticos de un sistema cuántico, y por otra parte, es el lugar de paso, o la autopista, de efervescentes nubes, producto del flujo de fuerzas y partículas en sus saltos cuánticos.
Resulta completamente erróneo entonces, afirmar que como los átomos, están básicamente compuestos de este vacío cuántico, y no de partículas “materiales”, entonces el universo compuesto de átomos, es inmaterial. Nada más material que el vacío, pero en especial el vacío cuántico, pues en primera instancia, materia no es sinónimo de masa, sino que las distintas formas de energía, también son materiales, y el vacío cuántico, tiene energía de punto cero, pero además, es una vía de tránsito tanto de partículas virtuales, como de las reales y de manera intensa. Como tal. el vacío cuántico es un objeto físico, lo que no es un objeto físico, sino una abstracción formal, es la ecuación de onda, de un estado cuántico, de lo cual se deriva que el universo cuántico, es esencialmente discreto, no continuo, por lo que en mecánica cuántica, no es posible suponer modelos holísticos del universo.
Por ello, resultan totalmente disparatadas, las afirmaciones sobre la inmaterialidad de la materia, asumiendo que el vacío cuántico, se encuentra estático y totalmente vacío; suposiciones que son producto de crear falsas analogías, a partir de los modelos clásicos, y de manera descuidada. Más que incorrectas, realizar afirmaciones arbitrarias y antojadizas, sobre la inmaterialidad de los átomos, son completamente absurdas y que dejan en evidencia, cómo la mecánica cuántica, especialmente por parte de diversos misticismos New Age, hoy ya superados, ha sido extrapolada, sin conocimiento de los principios y métodos científicos utilizados, a las formas de pensamiento más alocadas que se han dado en el siglo XX y lo que va del XXI, y ha creado así, una de las más nefastas tradiciones de pseudociencia, que ha perjudicado, una comprensión sensata y objetiva, de los verdaderos resultados de esta ciencia física.
El efecto Casimir
Un fenómeno, poco conocido por los legos en la materia, y que pone en jaque no sólo muchas afirmaciones anti-materialistas y místicas sobre el universo cuántico, sino también a la misma tradición parmenídea, implícita aun en diversas visiones de mundo en pleno siglo XXI; se conoce como Efecto Casmir, que es la manifestación más palpable que se conoce de las fluctuaciones de energía que se producen en el estado vacío de un sistema cuántico por la acción de condiciones externas y ha estado siempre rodeado de un halo de misterio porque designa una fuerza que surge del vacío, esto es, de una nada, sin una causa eficiente. Y sin embargo, es medible experimentalmente.
El vacío cuántico tiene fluctuaciones de energía, que en determinadas circunstancias actúan sobre objetos materiales ordinarios. Así ocurre en el caso del efecto Casimir: dos placas metálicas paralelas, a las que las fluctuaciones del vacío, por la diferente presión que ejercen sobre su anverso y su reverso, tienden a acercar entre sí. El cálculo de esa fuerza de aproximación encierra infinitos domeñables: tras un proceso de renormalización se convierten en magnitudes finitas, medibles en experimentos reales. Es una situación común en la teoría cuántica de campos. La función zeta de Riemann se usa en algunos de esos procedimientos regularizadores, que preceden a la renormalización.
El efecto Casimir dinámico
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. Diego A. R. Dalvit, lo explica en “Quantum physics: Shaking photons out of the vacuum,”Nature 479: 303–304, 17 November 2011, y haciéndo 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), tal 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.
Implicaciones para la Cosmología
No obstante, aunque al parecer modestos y simples los experimentos para demostrar empíricamente el Efecto Casimir, las derivaciones teóricas, su comprensión y extrapolación se hacen amplias y complejas, que van desde la nanotecnología a la cosmología. Las fluctuaciones del vacío, no sólo se manifiestan a pequeña escala, entre unas placas metálicas en el pequeño mundo de un laboratorio. Según los modelos inflacionarios del origen del universo, las pequeñas diferencias de temperatura que se reflejan en la radiación de fondo de microondas que baña el universo derivan de las fluctuaciones del vacío del campo que impulsó la fase de inflación —expansión exponencialmente acelerada— del universo en los primeros momentos de su existencia (las regiones más azules son las más frías en este mapa de la radiación de microondas de los cielos).
La cosmología ha dado la bienvenida al Efecto Casimir, pues en algunos casos, parecería dar pistas, para integrar la gravitación con la Teoría estándar de partículas, esto es, una Teoría del campo unificado, aunque aun, es demasiado temprano para obtener resultados concluyentes. No obstante, ha sido relacionado con la constante cosmológica de Einstein y con la misteriosa materia oscura. Desde 1998 se sabe que la expansión del universo se acelera. ¿A qué se debe esta aceleración? Einstein introdujo en sus ecuaciones de la relatividad general un término, la constante cosmológica, para que entre las soluciones estuviese la correspondiente a un universo estacionario. Sin embargo, la constante cosmológica puede también hacer las veces de una fuerza repulsiva que acelere la expansión del universo.
En 1968, Zeldovich relacionó la energía de punto cero y la constante cosmológica. Pero la densidad de energía del vacío a escala cosmológica da un valor demasiado grande, 120 órdenes de magnitud superior al deseado para explicar la expansión acelerada. Es la mayor discrepancia en toda la historia de la física: el problema de la constante cosmológica. Para resolverlo, se ha usado todo tipo de argumentos: supersimetría, agujeros de gusano, teoría de cuerdas, compactificaciones y extensiones analíticas diversas. Las explicaciones más plausibles utilizan el principio antrópico, lo que a algunos gusta poco.
Referencias:
El nacimiento de algo a partir de nada gracias al efecto Casimir dinámico. Francisco R. Villatoro, La ciencias de la Mula Francis, Weblog.
What is the Casimir effect?. Scientific American. June 22, 1998
First Observation of the Dynamical Casimir Effect. MIT Technology Review. May 26, 2011
Ex nihilo: Dynamical Casimir effect in metamaterial converts vacuum fluctuations into real photons March 8, 2013 by Stuart Mason Dambro
Elizalde, Emilio. El efecto Casimir. INVESTIGACION Y CIENCIA, marzo, 2009





















