Casimir a la caza del gravitón

casimir-platesHace poco fue publicado el artículo: Gravitational Casimir Effect en Physical Review Letters, 25 de febrero, 2015. Tenemos a nuestra disposición una versión online libre: Gravitational Casimir Effect versión arXiv. En esta entrada voy a intentar explicar qué implica este artículo porque, de confirmarse experimentalmente, abre la puerta a sondear un régimen novedoso de la física, la gravedad cuántica. ¿Vamos?

Hendrik Casimir
Hendrik Casimir

El efecto Casimir en dos patadas

Antes de empezar a hablar del efecto Casimir gravitatorio, que es a lo que vamos, lo ideal sería tener una ligera idea de qué es el efecto Casimir a secas. Este efecto es interesante y controvertido a partes iguales. Las razones por las que este efecto es interesantísimo son las siguientes:

1.- Pone de manifiesto que el vacío en cuántica es un estado de pleno derecho que tiene propiedades.

2.- Refleja el hecho de que el vacío no es un estado inerte sino que puede interactuar y sentir perturbaciones en él.

Es controvertido por la simple razón de que dependiendo del método de cálculo que usemos para reproducir el efecto nos haremos una imagen mental u otra. Da igual eso ahora, lo importante es que el efecto Casimir es un efecto bellísimo que ha sido comprobado experimentalmente. Podemos discutir sobre su derivación matemática y su interpretación pero no podemos discutir sobre su existencia experimental.

En esta entrada y en la explicación que sigue voy a posicionarme en una visión perturbativa, ¿qué significa esto? Nada, si eres especialista lo has entendido, si no lo eres no te hace falta entenderlo, es una pijada técnica.

La explicación

  • Si fuéramos capaces de eliminar cualquier cosa de una región del espacio acabaríamos con el vacío.
  • Para la cuántica el vacío no es algo inerte. Definimos el vacío como aquel estado en el que estamos en el mínimo de energía de cualquier campo que estemos estudiando, por ejemplo el campo electromagnético, y que no contienen partículas asociadas a dicho campo. Cuánticamente los campos, como el electromagnético, están asociados a la presencia de unas partículas características asociadas al mismo específicamente, los fotones en el caso electromagnético. Cada campo tiene su partícula o partículas asociadas. Entonces el vacío es el estado sin partículas asociadas a los campos que estemos estudiando y es el estado de mínima energía posible para dichos campos.
  • Pero ocurre que en cuántica hay una prohibición que hay que respetar sobre todas las cosas:

No es posibleconocer la energía exacta de un sistema en un instante de tiempo.

  • Esto implica que cuando decimos que el vacío tiene la mínima energía de los campos implicados en la región del espacio que estemos estudiando estamos hablando del promedio, en un intervalo de tiempo. En cada instante la energía exacta no está determinada y eso, en la visión que hemos elegido para explicar el efecto, se traduce en que del vacío aparecen fluctuaciones en forma de pares de partículas y desaparecen de forma que no son observables. El efecto neto se compensa y el promedio es el menor valor de la energía del sistema. Una versión pictórica conocida en el mundillo divulgativo es:

fluct

  • Claro, eso sigue así hasta que alguien o algo le inyecta energía, aparecen partículas del campo, fotones por ejemplo, y deja de ser vacío. Pero hay una salida para ver cosas solo achacables al vacío.
  • Si metemos dos placas metálicas paralelas separadas una distancia muy pequeña veremos una cosa increíble. Las placas sufren una presión que tiende a juntarlas. ¿Por qué?

La razón es simple, las fluctuaciones del vacío están formadas generalmente por fotones que son partículas fáciles de generar ya que no tienen masa, son pura energía y además se describen matemáticamente como ondas. Pero estos fotones tienen un problema cuando se introducen dos placas metálicas en el vacío. Las placas metálicas actúan como espejos para dichos fotones y resulta que entre las placas no pueden existir fluctuaciones de cualquier valor. La energía de los fotones que rebotan entre las placas tiene que estar asociada a una longitud de onda \lambda (a menor longitud de onda mayor energía del fotón) de forma que se cumpla d=\dfrac{n}{2}\lambda.

Esto implica que entre las placas hay menos fluctuaciones permitidas rebotando entre las mismas que en el exterior que no hay restricción alguna. Ahora tiene que tener sentido la imagen inicial de la entrada que se puede esquematizar en:

casimir

¿Qué es lo nuevo?

En el trabajo al que hacemos referencia la novedad consiste en que además de fotones. como fluctuaciones del vacío, también considera gravitones. Es decir, se supone que el vacío flutua en términos de fotones y de gravitones cosa que no se había considerado nunca antes porque la gravedad en este tipo de experimentos es tan débil que se desprecia. Pero en este artículo se proponen usar materiales superconductores porque estos serían sensibles a los gravitones de una forma mucho más intensa que los metales usuales.

Permitidme un receso un poco más técnico para los interesados, que además pueden encontrar todos los detalles en el artículo pero así lo dejamos todo dicho. En un material conductor podemos pensar que tenemos una red fija donde se sitúan los núcleos atómicos, más bien iones positivos, y los electrones se pueden mover por la red. Cuando se baja la temperatura estos electrones forman pares denominados pares de Cooper que tienen la propiedad de que se pueden asociar todos entre sí y moverse solidariamente por el metal, es decir, mover uno implica mover todos y eso da el efecto de movimiento sin resistencia. Pues bien, cuando llegan gravitones, u ondas gravitatorias, a estos metales ocurre que los iones positivos y pesados tienden a ir en un sentido y los electrones en pelotón (pares de Cooper) tienden a ir en el otro sentido. Estas tendencias hacen que se generen fuertes interacciones eléctricas de atracción que se oponen a la separación y que emiten gravitones en la dirección opuesta a la que les había llegado, tenemos un reflector de gravitones en marcha.

Entonces, aplicando la misma lógica que antes, entre las placas aparecen gravitones en determinadas frecuencias y por fuera no hay restricción alguna así que el efecto Casimir adquiere una contribución gravitatoria. De hecho, en algunos casos la contribución gravitatoria puede ser más importante que la fotónica.

Presión, P, producida por fotones, línea sólida azul, y gravitones, línea intercalada roja, en función de la distancia de separación de las placas, a.
Presión, P, producida por fotones, línea sólida azul, y gravitones, línea intercalada roja, en función de la distancia de separación de las placas, a.

Si se puede realizar este experimento nos encontraríamos con distintas situaciones, todas ellas muy ilustrativas:

1.- Solo hay contribución fotónica. Por lo tanto el modelo que hemos explicado aquí es incorrecto y la interacción materia/gravitón tendría que ser repensada.

2.- Se encuentra la contribución gravitatoria. Sería un primer paso para la detección de gravitones y se abriría la puerta para el estudio experimental del régimen de baja energía de la gravedad cuántica.

Pase lo que pase los experimentales darán con la forma de hacerlo y salga lo que salga tendremos que ponernos a estudiar.

Nos seguimos leyendo…

Te invitamos a comentar y conversar sobre este artículo en nuestras redes sociales: Facebook y Twitter.