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La idea de Hendrik Casimir para su experimento era sencilla: acercar extremadamente dos objetos metálicos y esperar. Espontáneamente, como por arte de magia, los objetos se acercarán. Sin fuerzas externas, sin empujones ni tirones, sin la acción de la gravedad, la tensión o el magnetismo. Los objetos simplemente se acercan. ¿Cuál es la razón? Una fuente ilimitada de vibración en el vacío del espacio-tiempo.
Este experimento histórico, ideado por primera vez por Casimir justo después de la Segunda Guerra Mundial -y realizado hace sólo 25 años-, allanó el camino para que los científicos pudieran ser testigos de las manifestaciones de la teoría cuántica de forma real y práctica. Los campos cuánticos y sus vibraciones impulsan nuestra comprensión moderna de la física, desde las interacciones subatómicas hasta la evolución de todo el universo. Y lo que hemos aprendido, gracias a los trabajos de Casimir, es que la energía infinita impregna el vacío del espacio. Hay muchas ideas en el universo de la ciencia ficción que proponen utilizar la energía del vacío para propulsar una nave estelar u otro tipo de propulsión avanzada, como un motor warp. Aunque estas ideas no dejan de ser sueños, lo cierto es que un simple experimento, ideado en 1948, prendió fuego a nuestra imaginación y a nuestra comprensión del universo.
Casimir, físico holandés, había pasado sus años de licenciatura con su asesor, Niels Bohr, uno de los padrinos de la física cuántica, y se había aficionado a esta nueva y extraordinaria teoría del cosmos. Pero a medida que la teoría cuántica evolucionaba, empezó a hacer afirmaciones extremadamente extrañas sobre el universo. El mundo cuántico es extraño, y su máxima rareza es normalmente invisible para nosotros, operando a escalas muy por debajo de nuestra percepción o experimentación humana normal. Casimir empezó a preguntarse cómo podríamos poner a prueba esas ideas.
Descubrió una forma inteligente de medir los efectos de los infinitos campos cuánticos, siempre presentes, utilizando simplemente trozos de metal muy juntos. Su trabajo demostró que el comportamiento cuántico puede manifestarse de formas sorprendentes que podemos medir. También demostró que la extrañeza del comportamiento cuántico es real y no puede ignorarse, y que hay que creer lo que dice la mecánica cuántica sobre el funcionamiento del universo, por extraño que sea.
Los campos cuánticos son de otro mundo, pero muy reales
Una de las lecciones del mundo cuántico es que las partículas, como electrones, fotones, neutrinos y demás, no son lo que parecen. En realidad, cada una de las partículas que vemos en la naturaleza es sólo una parte de una entidad mucho mayor. Estas entidades más grandes se conocen como campos cuánticos, y los campos empapan todo el espacio y el tiempo, todo el universo, del mismo modo que el aceite y el vinagre empapan un trozo de pan.
Hay un campo cuántico para cada tipo de partícula: un campo para los electrones, otro para los fotones, y así sucesivamente. Estos campos son invisibles para nosotros, pero constituyen los pilares fundamentales de la existencia. Están en constante vibración y zumbido. Cuando los campos vibran con suficiente energía, aparecen las partículas. Cuando los campos se apagan, las partículas desaparecen. Otra forma de verlo es decir que lo que llamamos "partícula" es en realidad una vibración localizada de un campo cuántico. Cuando dos partículas interactúan, en realidad son dos trozos de campos cuánticos que interactúan entre sí.
Estos campos cuánticos siempre están vibrando, incluso cuando esas vibraciones no son lo suficientemente fuertes como para producir una partícula. Si coges una caja y vacías todo su contenido -todos los electrones, todos los fotones, todos los neutrinos, todo-, la caja sigue llena de estos campos cuánticos. Como esos campos vibran incluso aislados, la caja está llena de energía invisible del vacío, también conocida como energía de punto cero: la energía de esas vibraciones fundamentales.
De hecho, se puede calcular cuántas vibraciones hay en cada uno de estos campos cuánticos... ¡y la respuesta es infinita! Las hay pequeñas, medianas, grandes y gigantescas, y todas se agolpan unas sobre otras continuamente, como si el propio espaciotiempo hirviera a nivel subatómico. Esto significa que el vacío del universo está realmente hecho de algo. No existe el vacío verdadero; vayas donde vayas, siempre hay campos cuánticos vibrantes.
Un experimento sencillo con múltiples infinitos
Aquí es donde entra en juego el experimento de Casimir: Si cogemos dos placas de metal y las pegamos muy, muy juntas, los campos cuánticos entre esas placas deben comportarse de una determinada manera: las longitudes de onda de sus vibraciones deben encajar perfectamente entre las placas, igual que las vibraciones de una cuerda de guitarra tienen que ajustar sus longitudes de onda a la longitud de la cuerda. En el caso cuántico, sigue habiendo un número infinito de vibraciones entre las placas, pero -y esto es crucial- no hay tantas vibraciones infinitas entre las placas como fuera de ellas.
¿Qué sentido tiene esto? En matemáticas, no todos los infinitos son iguales, y hemos desarrollado herramientas inteligentes para poder compararlos. Por ejemplo, consideremos un tipo de infinito en el que se suman números sucesivos entre sí. Empiezas con 1, luego añades 2, luego añades 3, luego añades 4, y así sucesivamente. Si sigues sumando números indefinidamente, llegarás al infinito. Consideremos ahora otro tipo de suma, en este caso de potencias de 10. Empiezas con 101, le añades 102, 103, 104 y así sucesivamente.
De nuevo, si mantienes esta serie para siempre, también llegarás al infinito. Pero en cierto sentido "llegarás" antes al infinito. Así que restando cuidadosamente estas dos secuencias, puedes obtener una medida de su diferencia aunque ambas lleguen al infinito.
Gracias a este ingenioso truco matemático, podemos restar los dos tipos de infinitos -los que se encuentran entre las placas metálicas y los que están fuera- y llegar a un número finito. Esto significa que realmente hay más vibraciones cuánticas fuera de las dos placas que dentro de ellas. Este fenómeno lleva a la conclusión de que los campos cuánticos fuera de las placas empujan a las dos placas entre sí, algo llamado efecto Casimir en honor de Hendrik.
El efecto es increíblemente pequeño, aproximadamente de 10 a 12 newtons, y requiere que las placas metálicas estén a menos de un micrómetro de distancia entre sí. (Un Newton es la fuerza que acelera un objeto de 1 kilogramo 1 metro por segundo al cuadrado). Así que, aunque Casimir pudo predecir la existencia de este efecto cuántico, no fue hasta 1997 cuando por fin pudimos medirlo, gracias a los esfuerzos del físico de Yale Steve Lamoreaux.
Física cuántica en acción
Quizá lo más extraño sea que la criatura con la conexión más profunda con la naturaleza cuántica fundamental del universo sea el gekko. Los gekkos son capaces de caminar por las paredes e incluso por los techos. Para ello, sus extremidades están cubiertas de innumerables fibras microscópicas similares a pelos. Estas fibras se acercan lo suficiente a las moléculas de la superficie por la que quiere trepar para que actúe el efecto Casimir. Se crea una fuerza de atracción entre el pelo y la superficie. Cada pelo individual proporciona una fuerza extremadamente pequeña, pero todos juntos bastan para sostener al gekko.
En este montaje experimental, que cabe en la encimera de una cocina, los platos no se juntan mágicamente. En su lugar, son los infinitos campos cuánticos vibratorios del espaciotiempo los que los empujan desde el exterior.
Normalmente no vemos, percibimos ni experimentamos el efecto Casimir. Pero cuando queremos diseñar máquinas a micro y nanoescala, tenemos que tener en cuenta estas fuerzas adicionales. Por ejemplo, los investigadores han diseñado sensores a microescala que pueden controlar el flujo de sustancias químicas molécula a molécula, pero el efecto Casimir puede perturbar el funcionamiento de este sensor si no lo supiéramos.
Los científicos exploran el potencial de la energía del vacío
Desde hace varios años, los investigadores estudian la posibilidad de extraer la energía del vacío y utilizarla como fuente de energía. En 2002 se patentó un dispositivo que capta la carga eléctrica de las dos placas metálicas del experimento Casimir y carga una batería. El dispositivo puede utilizarse como generador. "Para generar energía de forma continua, una pluralidad de placas metálicas se fijan alrededor de un núcleo y giran como un girocompás", según la patente.
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada en Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa de EE.UU. concedió a los investigadores 10 millones de dólares en 2009 para profundizar en el conocimiento de la fuerza de Casimir. Aunque los avances en el uso real de la energía del vacío siguen siendo paulatinos, esta línea de investigación energética podría dar lugar a innovaciones en nanotecnología, como la construcción de un dispositivo capaz de levitar, dijeron entonces los investigadores.
En la Universidad de Colorado en Boulder, el grupo de investigación de Garret Moddel ha desarrollado dispositivos que producen energía "que parece ser el resultado de fluctuaciones cuánticas de energía de punto cero", según el sitio web del grupo. Su dispositivo recrea básicamente el experimento de Casimir, generando una corriente eléctrica entre las dos capas metálicas que los investigadores pudieron medir, a pesar de no aplicar tensión eléctrica.
En cuanto al propio Casimir, que estaba inmerso en una revolución cuántica que se desarrollaba en la Universidad de Leiden, tenía tendencia a restar importancia a su propio trabajo. En su autobiografía, Haphazard Reality, Casimir decía: "La historia de mi propia vida no tiene especial interés". Y su monumental artículo de 1948 en el que diseña su experimento termina con la simple afirmación: "Aunque el efecto es pequeño, una confirmación experimental no parece inviable y podría tener cierto interés."
De hecho, su idea inicial no causó un gran revuelo en la comunidad científica, ni hubo relatos elogiosos de su experimento en la prensa popular. En parte se debió a la modestia del propio Casimir, y en parte también a que pronto abandonó la investigación académica para dedicarse a la industria. Pero a pesar de estos humildes comienzos, su trabajo no puede subestimarse.
Hoy en día, seguimos perfeccionando el montaje experimental original de Casimir, buscando grietas en nuestras teorías, y lo utilizamos como base para explorar cada vez más profundamente la naturaleza fundamental del cosmos.
Paul M. Sutter is a science educator and a theoretical cosmologist at the Institute for Advanced Computational Science at Stony Brook University and the author of How to Die in Space: A Journey Through Dangerous Astrophysical Phenomena and Your Place in the Universe: Understanding Our Big, Messy Existence. Sutter is also the host of various science programs, and he’s on social media. Check out his Ask a Spaceman podcast and his YouTube page.
