Primer paso para controlar el vacío cuántico

El vacío es el estado cuántico que contiene la menor energía posible. En su interior fluctúan ondas electromagnéticas, que no necesitan un medio material para propagarse, y aparecen y desaparecen constantemente partículas que existen y dejan de existir, en una especie de danza primigenia a partir de la cual se construye la realidad que percibimos.

El vacío es como el lienzo sobre el cual pintamos el mundo. No es la realidad, sino la tendencia a la realidad que muestra la nada, ese misterioso objeto de la filosofía que encierra el sentido implícito del universo.

Ese espacio desnudo no lo hemos visto, sólo detectado. Y sabemos que es un campo de posibilidades del que emergen las partículas, de la misma forma que sobre un prado yermo surgen las flores. Partículas y flores toman la energía de ese campo de posibilidades. La energía que toman de esa aparente nada determina la naturaleza de las partículas y de las flores.

Ese vacío es el reino de la incertidumbre, que se aplica no sólo a las partículas que emergen y desaparecen, sino también al propio campo de posibilidades: el volumen de energía disponible para posibilitar la construcción de la materia aumenta y disminuye y en algunos momentos también desaparece por completo.

Y aunque parece aleatorio, suponemos que el vacío cuántico tiene un orden implicado que oculta relaciones entre todo lo que aparece y desaparece en su interior: entre las partículas elementales y entre las ondas electromagnéticas, formando un todo complejo. Partículas entre sí, ondas entre sí, ondas con partículas, se correlacionan con una dinámica propia que impide conformar un conjunto coherente y ordenado de la aparente nada.

Control humano del vacío cuántico

Dada la naturaleza aparentemente caótica de este vacío cuántico, hasta ahora ha resultado imposible conocer las misteriosas fluctuaciones de partículas y ondas electromagnéticas que se producen en su interior.

Sin embargo, investigadores de la ETH Zurich han desarrollado un método que les ha permitido determinar el fino espectro de un campo electromagnético en su estado fundamental, toda una proeza que abre la puerta al control humano de lo que es el vacío cuántico.

Para conseguirlo, se valieron de un aparato construido con un cristal, láseres y detectores de fotones. Así pudieron medir la desviación de las partículas de la luz cuando pasaban por el vacío existente entre los átomos del cristal. Después de un billón de mediciones, el equipo descubrió la correlación existente entre las fluctuaciones del campo electromagnético.

"Las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético tienen consecuencias claramente visibles, y entre otras cosas, son las responsables del hecho de que un átomo pueda emitir luz de forma espontánea", explica Ileana-Cristina Benea-Chelmus, del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich, en un comunicado.

Gracias a este descubrimiento, los investigadores han podido determinar que la emergencia de las partículas no es aleatoria, sino que fluctúan a través de la correlación observada entre las fluctuaciones del campo eléctrico en el vacío.

Entrelazamiento cuántico primigenio

Además, han apreciado 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.

Tal como explicamos en otro artículo, cuando dos partículas, como los átomos, los fotones o los electrones, se entrelazan, experimentan un vínculo inexplicable que se mantiene incluso si las partículas están en lados opuestos del universo.

Mientras están entrelazadas, el comportamiento de las partículas está ligado entre sí. Este comportamiento aparece ya en los momentos previos de la conformación de la materia, según los resultados de esta investigación.

"Quizás estos resultados sean los primeros pasos hacia una óptica cuántica ultrarrápida que algún día observará y controlará el enredo que yace oculto en el vacío espacio-temporal y en los estados fundamentales no triviales de los sistemas de la interacción luz-materia", señalan los físicos Andrey Moskalenko y Timothy Ralph en un artículo adicional publicado en Nature.

El descubrimiento puede tener consecuencias todavía mayores, ya que lo que ocurre en el interior del vacío cuántico es clave para comprender también cómo los agujeros negros se disuelven lentamente con el tiempo a través de la radiación de Hawking, que se produce en el horizonte de sucesos de un agujero negro debido efectos cuánticos.

Referencia

Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state. Ileana-Cristina Benea-Chelmus, et al. Nature, volume 568, pages202–206 (2019). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1083-9