Un experimento cuántico consigue crear algo de la nada

Investigadores del Dartmouth College, una de las universidades más antiguas de Estados Unidos, han demostrado teóricamente que es posible producir luz a partir del vacío cuántico.

“En esencia, hemos producido algo de la nada; la idea de eso es genial», expresa el profesor de física Miles P. Blencowe, autor principal del estudio, en un comunicado.

En la física clásica, el vacío se considera la ausencia de materia, luz y energía. En física cuántica, sin embargo, el vacío se define como el estado cuántico que contiene la menor energía posible, a pesar de lo cual, según el astrofísico británico Martin Rees, determina a largo plazo el destino del universo.

En su interior fluctúan fotones, partículas de luz que no necesitan un medio material para propagarse: existen y dejan de existir en un proceso interminable.

Lo que ha conseguido la nueva investigación es dar con una forma viable de detectar los fotones que aparecen y desaparecen en el interior del vacío cuántico.

“En un sentido cotidiano, los hallazgos parecen sugerir la capacidad de producir luz a partir del vacío”, añade Blencowe.

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Nitrógeno imperfecto

La teoría, publicada en Communications Physics, predice que unas imperfecciones basadas en nitrógeno, presentes en una membrana de diamante que se acelera rápidamente, pueden hacer la detección de los fotones en el vacío cuántico.

En el experimento propuesto, un diamante sintético del tamaño de un sello postal, que contiene los detectores de luz a base de nitrógeno, se suspende en una caja de metal súper enfriada que crea un vacío en su interior.

La membrana, que actúa como un trampolín atado, se acelera a un ritmo enorme y produce fotones en estado de entrelazamiento cuántico, ha descubierto esta investigación.

«Esta producción de fotones emparejados y entrelazados es una prueba de que los fotones se producen en el vacío cuántico y no a partir de otra fuente», destaca Hui Wang, doctoranda de la citada universidad en Física y Astronomía, que también participó en la investigación.

El estudio es el primero en explorar el uso de múltiples detectores de fotones (los defectos del diamante) para amplificar la aceleración y aumentar la sensibilidad de detección.

La oscilación del diamante también permite que el experimento tenga lugar en un espacio controlable a velocidades intensas de aceleración, destacan los investigadores.

La luz detectada aparece en frecuencia de microondas, por lo que no es visible para el ojo humano, pero los investigadores esperan que el trabajo contribuya a la comprensión de las fuerzas físicas elementales.

Hawking en el horizonte

En particular, el trabajo puede arrojar luz experimental sobre la predicción de Hawking de la radiación de agujeros negros.

En los años 70 del siglo pasado, el astrofísico Stephen Hawking, fallecido en 2018, predijo que un agujero negro podría emitir espontáneamente pares de partículas.

Según su teoría, una de esas partículas sería tragada por el agujero, pero la otra escaparía hacia fuera, lo que un observador externo podría detectar como una emisión espontánea de radiación por parte del agujero negro.

Científicos de todo el mundo llevan décadas tratando de replicar este fenómeno en el laboratorio, e incluso el físico canadiense William George Unruh propuso en 1976 que un fotodetector, acelerado lo suficientemente rápido, podría «ver» la luz en el vacío.

Siguiendo esta trayectoria, la nueva investigación ha podido darle la razón a Unruh, para quien la propia idea del vacío cuántico depende de la trayectoria del observador a través de espacio-tiempo.

Hacia el control del vacío cuántico

La nueva investigación profundiza también en otro significativo estudio sobre el vacío cuántico: en 2019, investigadores suizos abrieron por primera vez el camino para el control humano del misterioso vacío cuántico.

Descubrieron las correlaciones entre ondas electromagnéticas y partículas elementales que fluctúan en su interior, posibilitando una óptica cuántica ultrarrápida y una mejor comprensión de los agujeros negros.

Esta investigación previa también constató algo observado en el nuevo estudio: que las partículas del vacío cuántico muestran relaciones entre sí que se corresponden con el entrelazamiento cuántico, uno de los fenómenos más desconcertantes de la mecánica cuántica que se manifestó también al agitar la membrana del diamante.