De acuerdo a las leyes que rigen la física cuántica, el vacío, en el que clásicamente se supone que no hay nada, no está realmente vacío, sino que está impregnado de pequeñas fluctuaciones del campo electromagnético.

Para algunos físicos, medir el espectro de estas fluctuaciones ha sido un objetivo durante décadas, pero no se ha encontrado una buena manera de hacerlo, hasta ahora. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico ETH de Zúrich ha logrado caracterizar esas fluctuaciones de vacío directamente por primera vez.

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Midiendo el vacío

Los investigadores han utilizado inteligentemente los pulsos de láser para comprender la naturaleza cuántica de un vacío, estableciendo un hito en los intentos por medir la nada absoluta.

Para lograr medir las fluctuaciones del campo electromagnético que se encuentran en el vacío, los investigadores se valieron de dos pulsos láser con una duración extremadamente corta

Las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético tienen consecuencias claramente visibles, y entre otras cosas, son las responsables del hecho de que un átomo puede emitir luz de forma espontánea.

Sin embargo, a primera vista parece imposible medirlos directamente. Los detectores tradicionales para la luz, como los fotodiodos, se basan en el principio de que las partículas de luz, y por lo tanto la energía, son absorbidas por el detector. Pero en el vacío, que representa el nivel de estado energético más bajo de un sistema físico, no se puede extraer energía.

Por lo tanto, el equipo decidió medir el campo eléctrico de las fluctuaciones directamente. Para ello, utilizaron un detector basado en el llamado efecto electro-óptico.

El detector consiste en un cristal en el que la polarización (la dirección de la oscilación) de una onda de luz puede rotarse por un campo eléctrico; por ejemplo, por el campo eléctrico de las fluctuaciones de vacío. De esta manera, ese campo eléctrico deja una marca visible en la forma de una dirección de polarización modificada de la onda de luz.

Correlaciones espaciales y temporales

Los investigadores recurrieron a enviar dos pulsos láser muy cortos, con una duración de una milésima de la mil millonésima parte de un segundo, a través del cristal en dos puntos diferentes y en momentos ligeramente diferentes, y luego se midieron sus polarizaciones. A partir de esas mediciones, finalmente pudieron calcular las correlaciones espaciales y temporales entre los campos eléctricos en el cristal.

Los físicos encontraron que las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético (líneas de color) se pueden medir a través de su efecto en dos rayos láser (rojo) que se propagan a través de un cristal.

Para verificar que los campos eléctricos así medidos realmente surgen de las fluctuaciones del vacío y no de la radiación térmica, los investigadores enfriaron todo el aparato de medición a -269 grados centígrados. A temperaturas tan bajas, esencialmente no quedan fotones de radiación térmica dentro del aparato, por lo que cualquier fluctuación del campo eléctrico debe venir del vacío.

Aunque los resultados finales de esta investigación resultaron ser minúsculos, las mediciones permitieron determinar el fino espectro de un campo electromagnético en su estado más fundamental.

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Los investigadores esperan que en el futuro puedan medir casos más exóticos de fluctuaciones de vacío utilizando el método desarrollado. En presencia de las fuertes interacciones entre fotones y materia que pueden lograrse, por ejemplo, dentro de las cavidades ópticas, de acuerdo con los cálculos teóricos, el vacío debe poblarse con una multitud de los llamados fotones virtuales.

De acuerdo a los autores de esta investigación, el método desarrollado debería, entre otras cosas, permitir probar esas predicciones teóricas.

Referencia: Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state. Nature, 2019. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1083-9

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