Logran medir la «nada absoluta»

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Un ingenioso experimento permite empezar a comprender la esquiva naturaleza cuántica del vacío

El vacío, en el sentido de ausencia total de cualquier cosa, ya sea materia o energía, no existe. Incluso si en una región determinada de espacio consiguiéramos no toparnos con nada, ni siquiera con una única partícula solitaria que lo cruce, seguiría habiendo allí una serie de «fluctuaciones», diminutas ondas de naturaleza cuántica que, apareciendo y desapareciendo continuamente, harían que ese espacio burbujeara de energía.

Muchos científicos han intentado, sin éxito, medir esas diminutas fluctuaciones. Durante décadas enteras, generaciones de físicos se han propuesto medir el espectro de esas pequeñas ondas que forman lo que solemos llamar «espacio vacío», pero nadie lo ha logrado. Hasta ahora.

Un equipo de físicos de la universidad suiza ETH Zurich, en efecto, acaba de conseguir el hito de medir, por primera vez, las características de la «nada absoluta». Y lo ha hecho gracias a un uso inteligente y poco común de una serie de pulsos de láser, gracias a los que, por fin, ha sido posible comprender la esquiva naturaleza cuántica de la nada. El hallazgo se acaba de publicar en Nature.

Un lienzo blanco

En esencia, nuestro Universo es, fundamentalmente, irregular. Algo similar a la superficie de un lienzo que estuviera a medio pintar. Donde no hay pintura (estrellas o galaxias) aún queda la textura del lienzo en blanco, una realidad desnuda, pero auténtica, que apenas si estamos en condiciones de empezar a detectar.

De este modo, lo que a primera vista parece la nada, debido a la completa ausencia de materia y radiación, es en realidad un campo infinito de posibilidades del que emergen las partículas que dan forma a todo lo que podemos ver. No en vano, existe un campo diferente para cada partícula elemental, y esos campos parecen no hacer otra cosa que estar esperando la energía necesaria para poder definir las características clave que tendrán esas partículas durante su existencia «real».

Las propias partículas, por su parte, se ven limitadas por una extraña regla: a medida que algunas de sus posibilidades aumentan, otras, por fuerza, deben reducirse. Una partícula, por ejemplo, podrá estar en una ubicación precisa, pero a cambio su impulso no podrá determinarse. O viceversa. Se trata del conocido «Principio de Incertidumbre», según el cual el mero hacho de conocer ciertas características de una partícula hace imposible conocer también el resto de sus propiedades.

El principio de incertidumbre

Pero el principio de incertidumbre no se aplica solo a las partículas, sino también a los campos que las generan. Y es que, si estudiamos un volumen dado de espacio «vacío» durante un largo periodo de tiempo, el valor promedio de energía dentro de ese espacio será cero. Si por el contrario enfocamos nuestra atención en un único momento dado, sí que encontraremos energía en ese espacio aparentemente vacío, aunque nunca podremos estar seguros de en qué cantidad. En otras palabras, los resultados de nuestras medidiones nunca serán concretos, sino que abarcarán todo un espectro de probabilidades.

Por conveniencia, solemos pensar que la naturaleza del «lienzo» sobre el que está pintado el Universo es aleatoria. Sin embargo, sí que existen una serie de correlaciones que podrían decirnos algunas cosas sobre la naturaleza de esas ondulaciones.

«Las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético -explica Ileana Cristina Baena-Chelus, del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich y autora principal del estudio- tienen consecuencias claramente visibles y, entre otras cosas, son responsables del hecho de que un átomo pueda emitir luz de forma espontánea».

¿Cómo medir el estado de mínima energía?

Para ser capaces de medir la mayoría de las cosas, es necesario establecer un punto de partida. Desafortunadamente, medir algo que ya se encuentra en su estado mínimo de energía, como es el vacío, sería como intentar medir la fuerza de un puñetazo observando un puño que no se mueve.

«Los detectores tradicionales para estudiar la luz -explica la investigadora- , como los fotodiodos, se basan en el principio de que las partículas de luz, y por lo tanto la energía, son absorbidas por el propio detector. Sin embargo, del vacío, que ya representa el estado de energía más bajo posible de un sistema físico, no se puede extraer más energía».

Por eso, en lugar de tratar inútilmente de medir la transferencia de energía de un campo vacío (del campo al detector), los investigadores idearon una forma de buscar las firmas de sus sutiles cambios de probabilidad en la polarización de los fotones. Al comparar dos pulsos de láser de apenas una trillonésima de segundo de duración, enviados a través de un cristal super frío en diferentes momentos y ubicaciones, los investigadores podían descubrir cómo el espacio vacío entre los átomos del cristal afectaba a la luz.

«Aun así -explica por su parte Jerome Faist, otro de los autores del artículo- la señal medida fue tremendamente pequeña, y tuvimos que forzar al máximo nuestras capacidades experimentales para medir campos muy pequeños».

La palabra «pequeño», en este contexto, no es más que un eufemismo. En realidad, la oscilación cuántica era tan diminuta que fueron necesarias hasta un billón de observaciones para cada comparación, y eso solo para asegurarse de que las mediciones eran legítimas. Aún así, y por minúsculas que resultaran ser los resultados finales, las mediciones les permitieron determinar el finísimo espectro de un campo electromagnético en su estado fundamental. O, dicho de otra manera, llevar a cabo la primera medición de las características de la «nada absoluta».

Se trata solo de un primer «vistazo», pero comprender (y puede que algún día llegar a controlar) qué es y cómo funciona el espacio vacío se ha convertido en un objetivo prioritario para la Física Cuántica. Y en el futuro ncesitaremos muchos más «trucos» como el ideado por este grupo de investigadores si queremos llegar a entender, de verdad, el «tejido» en el que está pintado el Universo.

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