Mecánica Cuántica y Teoría de Campos

La fuerza del vacío

laboratorios — por el 18/10/2013 a las 14:41

Pensar en el vacío como ausencia de todo ya es una empresa complicada. Pero pensar que, aun donde no hay nada, existen fuerzas capaces de atraer placas metálicas entre sí parece aún más extraño. Sin embargo no lo es en el universo de la mecánica cuántica. El físico Fernando Lombardo y su equipo de investigadores se dedican a estudiar este fenómeno conocido como Efecto Casimir.

Imagen que representa las fluctuaciones del vacío entre una esfera y una superficie plana.

Imagen que representa las fluctuaciones del vacío entre una esfera y una superficie plana.

Si ponemos en el vacío dos placas metálicas sin ninguna carga, a una distancia pequeña, estas placas se atraen mutuamente. ¿Magia? No: Efecto Casimir. En 1948 Hendrik Casimir, físico holandés, presentó en forma teórica este curioso comportamiento. Su predicción fue verificada por numerosos experimentos que le dieron una confirmación muy precisa. Es que el vacío, para los físicos, no es “la nada” y mucho menos si la mirada se sitúa desde el punto de vista de la mecánica cuántica.

Al estudio del Efecto Casimir se dedican Fernando Lombardo y su grupo de Mecánica Cuántica y Teoría de Campos, por lo que son ellos quienes mejor pueden explicar de qué se trata esta extraña “fuerza de la nada”.

“Clásicamente, el vacío es la ausencia total de materia y energía en un determinado espacio”, comienza Lombardo. “Por extensión, se denomina vacío, por ejemplo, al espacio interestelar, donde la densidad de partículas es muy baja; o a una cavidad cerrada donde la presión del aire u otros gases es mucho menor que la atmosférica”, agrega. Pero entonces, “si quitamos todas las cosas de una habitación cerrada, extraemos el aire, tapamos las aberturas, aislamos las paredes de la radiación electromagnética, bajamos la temperatura hasta el cero absoluto para evitar la radiación térmica, y blindamos las paredes contra rayos cósmicos, neutrinos y otras partículas que viajan por el Universo, ¿estamos en vacío?”, se pregunta el investigador. Para responder, es necesario apelar a la mecánica cuántica y al principio de incertidumbre de Heisenberg que dice que, aun en el vacío, hay fluctuaciones de los campos eléctricos y magnéticos. Todos los campos -particularmente los electromagnéticos- tienen fluctuaciones. Aun el vacío perfecto a temperatura de cero absoluto posee campos fluctuantes conocidos como fluctuaciones del vacío. “Como no es posible anular las fluctuaciones de los campos, estas variaciones producen efectos observables a escalas de micrones y nanómetros, donde la fuerza de Casimir es más importante que la interacción electrostática misma. Dominar esta fuerza del vacío es un desafío importante a la hora de diseñar aparatos electrónicos (chips) a escalas nanométricas, para construir dispositivos para celulares o computadoras”, sostiene Lombardo.

Las fluctuaciones cuánticas del vacío explican gran cantidad de fenómenos: corrimiento en los niveles atómicos, radiación de Hawking en los agujeros negros, fuerzas entre átomos y moléculas, fuerza entre átomos y superficies conductoras, fuerzas de contacto en nanodispositivos, fuerzas de Casimir entre conductores neutros, etcétera. Es posible que también sean relevantes en el problema de la energía oscura en astrofísica y en la formulación de los modelos cosmológicos inflacionarios. Incluso, han dado lugar a innumerables especulaciones científicas y pseudo­científicas, como por ejemplo, los viajes en el tiempo ocurridos en series de TV famosas como Lost.

El objetivo general de la línea de trabajo del grupo de Lombardo se centra en el análisis de las consecuencias observables de las fluctuaciones cuánticas del vacío, principalmente en el marco de la teoría de campos. “Estamos interesados en las fuerzas entre objetos neutros, la producción de fotones y efectos disipativos en cavidades con paredes móviles o con propiedades electromagnéticas dependientes del tiempo, y los efectos de la polarización de vacío en teoría cuántica de campos en espacios curvos”, enumera el investigador.

María Belén Farías, Pablo Poggi, Fernando Lombardo, Adrián Rubio López y Leonardo Trombetta.

María Belén Farías, Pablo Poggi, Fernando Lombardo, Adrián Rubio López y Leonardo Trombetta. Foto: Paula Bassi

Desde el punto de vista de la fundamentación misma de la mecánica cuántica, también centran su interés en la llamada pérdida de coherencia cuántica. “El estado cuántico de un sistema puede adquirir ciertas características llamadas fases geométricas cuando el estado del sistema es sometido a cambios particulares, como por ejemplo variaciones lentas y cíclicas. Estas características del estado de un sistema son interesantes en la computación cuántica, como una herramienta para liberarse de errores o pérdida de la característica propiamente cuántica del sistema. El estudio de la fase se ha extendido a muchos campos, como la computación cuántica geométrica”, explica Lombardo quien, junto a Paula Villar, estudian cómo podría modificarse esta fase geométrica bajo influencia externa. “La influencia del medio ambiente sobre un sistema cuántico tiene como consecuencia, hablando en términos generales, que el sistema deja de comportarse cuánticamente y pasa a estar regido por las leyes de la mecánica clásica. Este proceso se denomina “decoherencia” (pérdida de coherencia cuántica), y es el gran enemigo de la computación cuántica. En nuestro caso, estudiamos el proceso de decoherencia y su influencia en las llamadas fases geométricas cuánticas”, dice.

El grupo de Lombardo es un grupo teórico y desarrollan investigación básica a través de modelos y cálculos. Pero participan de colaboraciones tendientes a medir las fuerzas de Casimir, como también en experimentos con fases geométricas cuánticas. Posibles aplicaciones tecnológicas del Efecto Casimir podrían esperarse en el diseño de las llamadas “micromáquinas” y en la construcción de “nanodispositivos”.

 

Grupo de Mecánica Cuántica y Teoría de Campos

(Departamento de Física)

2do. piso, Pabellón I. Tel.: 4576-3390; interno 823.

http://users.df.uba.ar/lombardo/pagina_grupo2.html
Dirección: Dr. Fernando Lombardo – Integrantes del grupo: Dra. Paula Villar

Colaboradores: Dr. Cesar Fosco y Dr. Francisco Mazzitelli (CAB Bariloche), Dr. Diego Wisniacki (Depto. de Física)
Tesistas de doctorado: Lic. Adrián Rubio López, Lic. Leonardo Trombetta, Lic. María Belén Farías, Lic. Pablo Poggi.

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