Según la mecánica cuántica, el vacío no es solo un espacio vacío. De hecho, está lleno de energía cuántica y partículas, partículas diminutas que siguen apareciendo y desapareciendo así, dejando un rastro en forma de señales que llamamos fluctuaciones cuánticas. Durante décadas, estas fluctuaciones existieron solo en nuestras teorías cuánticas, hasta que en 2015 los investigadores anunciaron que las habían detectado y determinado directamente. Y ahora el mismo equipo de científicos afirma que han avanzado mucho más en su investigación: pudieron manipular el vacío en sí y determinar los cambios en estas misteriosas señales del vacío.
Aquí estamos entrando en el territorio de la física de alto nivel, pero lo más importante es que si se confirman los resultados del experimento del que hablaremos hoy, entonces es muy posible que esto signifique que los científicos hayan descubierto una nueva forma de observar, interactuar y realizar pruebas prácticas de la realidad cuántica sin interferir con su. Esto último es especialmente importante, ya que uno de los mayores problemas de la mecánica cuántica, y nuestra comprensión de ella, es que cada vez que intentamos medir o incluso simplemente observar un sistema cuántico, lo destruiremos por esta influencia. Como puede imaginar, esto realmente no encaja con nuestro deseo de descubrir qué está sucediendo realmente en este mundo cuántico.
Y es a partir de este momento cuando el vacío cuántico llega al rescate. Pero antes de continuar, recordemos brevemente qué es un vacío desde el punto de vista de la física clásica. Aquí representa un espacio completamente desprovisto de materia y que contiene energías de las magnitudes más bajas. Aquí no hay partículas, lo que significa que nada puede interferir o distorsionar la física pura.
Una de las conclusiones de uno de los principios más fundamentales de la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg, establece un límite a la precisión de la observación de partículas cuánticas. Además, según este principio, el vacío no es un espacio vacío. Está lleno de energía, así como de pares de partículas de antipartículas que aparecen y desaparecen al azar. Estas partículas son "virtuales" en lugar de materiales físicamente, por lo que no puede detectarlas. Pero aunque permanecen invisibles, como la mayoría de los objetos en el mundo cuántico, también afectan al mundo real.
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Estas fluctuaciones cuánticas crean campos eléctricos que fluctúan aleatoriamente que pueden actuar sobre los electrones. Y es gracias a este efecto que los científicos demostraron por primera vez indirectamente su existencia en la década de 1940.
Durante las décadas siguientes, esto siguió siendo lo único que sabíamos sobre estas fluctuaciones. Sin embargo, en 2015, un grupo de físicos dirigido por Alfred Leitenstorfer de la Universidad de Konstanz en Alemania dijo que pudieron determinar directamente estas fluctuaciones al observar su efecto en una onda de luz. Los resultados del trabajo de los científicos se publicaron en la revista Science.
En su trabajo, los científicos utilizaron pulsos de láser de onda corta que duraron solo unos pocos femtosegundos, que enviaron al vacío. Los investigadores comenzaron a notar cambios sutiles en la polarización de la luz. Según los investigadores, estos cambios fueron causados directamente por fluctuaciones cuánticas. El resultado de las observaciones seguramente causará controversia más de una vez, pero los científicos decidieron llevar su experimento a un nuevo nivel "comprimiendo" el vacío. Pero esta vez, también, comenzaron a observar cambios extraños en las fluctuaciones cuánticas. Resulta que este experimento no solo resultó ser una confirmación más de la existencia de estas fluctuaciones cuánticas, aquí ya podemos hablar sobre el hecho de que los científicos han descubierto una forma de observar el curso de un experimento en el mundo cuántico sin afectar el resultado final.que en cualquier otro caso destruiría el estado cuántico del objeto observado.
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“Podemos analizar estados cuánticos sin cambiarlos en la primera observación”, comenta Leitenstorfer.
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Por lo general, cuando desea rastrear el efecto de las fluctuaciones cuánticas en una partícula de luz particular, primero debe detectar y aislar estas partículas. Esto, a su vez, eliminará la "firma cuántica" de estos fotones. Un experimento similar fue realizado por un equipo de científicos en 2015.
Como parte del nuevo experimento, en lugar de observar cambios en las fluctuaciones cuánticas al absorber o amplificar los fotones de luz, los investigadores observaron la luz en sí en términos de tiempo. Puede sonar extraño, pero en el vacío, el espacio y el tiempo funcionan de tal manera que observar a uno de inmediato te permite aprender más sobre el otro. Al hacer tal observación, los científicos descubrieron que cuando el vacío se "comprimía", esta "compresión" ocurría exactamente igual que cuando se comprime un globo, solo que se acompaña de fluctuaciones cuánticas.
En algún momento, estas fluctuaciones se volvieron más fuertes que el ruido de fondo del vacío sin comprimir, y en algunos lugares, por el contrario, fueron más débiles. Leitenstorfer ofrece una analogía de un atasco que se mueve a través de un espacio estrecho de la carretera: con el tiempo, los autos en sus carriles ocupan el mismo carril para pasar por el espacio estrecho y luego regresan a sus carriles. Hasta cierto punto, según las observaciones de los científicos, sucede lo mismo en el vacío: la compresión de un vacío en un lugar conduce a una distribución de cambios en las fluctuaciones cuánticas en otros lugares. Y estos cambios pueden acelerarse o ralentizarse.
Este efecto se puede medir en espacio-tiempo, como se muestra en el gráfico siguiente. La parábola en el centro de la imagen representa el punto de "compresión" en el vacío:
El resultado de esta compresión, como se puede ver en la misma imagen, es cierto "hundimiento" en las fluctuaciones. No menos sorprendente para los científicos fue la observación de que el nivel de potencia de las fluctuaciones en algunos lugares era más bajo que el nivel de ruido de fondo, que, a su vez, es más bajo que el del estado fundamental del espacio vacío.
"Dado que el nuevo método de medición no implica la captura o amplificación de fotones, existe la posibilidad de detectar y observar directamente el ruido de fondo electromagnético en el vacío, así como las desviaciones controladas de los estados creados por los investigadores", dice el estudio.
Actualmente, los investigadores están probando la precisión de su método de medición y tratando de averiguar qué puede hacer realmente. A pesar de los ya más que impresionantes resultados de este trabajo, todavía existe la posibilidad de que los científicos hayan ideado un llamado "método de medición poco convincente", que, tal vez, es capaz de no violar los estados cuánticos de los objetos, pero al mismo tiempo no es capaz de decirles a los científicos más. sobre uno u otro sistema cuántico.
Si el método funciona, entonces los científicos quieren usarlo para medir el "estado cuántico de la luz", el comportamiento invisible de la luz a nivel cuántico que apenas estamos comenzando a comprender. Sin embargo, el trabajo adicional requiere una verificación adicional: la replicación de los resultados del descubrimiento de un equipo de investigadores de la Universidad de Constanza y, por lo tanto, demostrar la idoneidad del método de medición propuesto.
NIKOLAY KHIZHNYAK
