jueves, 19 de octubre de 2017

Partículas virtuales

The same post in English


Werner Heisenberg
El principio de incertidumbre de Heisenberg, una de las consecuencias de la mecánica cuántica, hace posible la aparición de partículas virtuales en el vacío, que aparentemente transgreden el principio de conservación de la energía, el más sacrosanto de la física. Esto se debe a que el principio de incertidumbre puede expresarse de varias formas, una de las cuales relaciona la incertidumbre en la energía con la incertidumbre en el tiempo:
DE.Dt≥ħ/2
Esta expresión se puede interpretar en el sentido de que un par de objetos, cada uno de ellos con energía E, puede aparecer espontáneamente a partir del vacío, siempre que dure como mucho un tiempo Dt<ħ/(2E). Estos pares de objetos se llaman partículas virtuales. Una de esas partículas es siempre materia, la otra antimateria, y su duración, de acuerdo con este principio, es ridículamente pequeña. Un electrón virtual, por ejemplo, duraría 1,3×10-21 segundos (poco más de una miltrillonésima de segundo). Cuanta más masa (energía) tenga la partícula virtual, menos tiempo durará. Al cabo de ese tiempo, las dos partículas se aniquilarán mutuamente y desaparecerán. Debido a su corta duración, la existencia de las partículas virtuales no ha podido comprobarse experimentalmente.
¿Es posible que estas partículas virtuales se conviertan en reales bajo determinadas circunstancias? Pues sí lo es, y se cree que hay por lo menos dos situaciones (algo drásticas, es cierto) en las que esto podría realizarse.


Stephen Hawking
  • La radiación de Hawking, propuesta en 1974 por Stephen Hawking. Si un par de partículas virtuales surge de forma espontánea, exactamente en el horizonte de sucesos de un agujero negro, es posible que una de las dos partículas se dirija casualmente hacia el interior del agujero negro y la otra hacia fuera. En tal caso, las dos partículas ya no podrán aniquilarse mutuamente, con lo que la que se queda fuera se convertirá automáticamente en partícula real. Como el principio de la conservación de la energía entra entonces en vigor, para que se cumpla es necesario que la masa del agujero negro disminuya en una cantidad igual a la masa de esa partícula. Como este proceso se repetirá muchas veces a lo largo de miles de millones de años, a la larga un agujero negro no duraría para siempre, sino que acabaría evaporándose por completo. Cuanto más pequeña fuera la masa del agujero negro, más deprisa se evaporaría.
  • El efecto Unruh, propuesto también en los años setenta por el canadiense William Unruh. Consiste en que un objeto (por ejemplo, una nave espacial) que se mueva por el espacio con velocidad creciente (movimiento acelerado), irá barriendo los pares de partículas virtuales que surgen espontáneamente delante de ella, separándolas y convirtiéndolas en partículas reales, con lo que la temperatura del vacío aumentaría, desde su punto de vista. Claro, el fenómeno es muy extremo y sólo sería perceptible para aceleraciones trillones de veces mayores que la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra, por lo que no debemos temer que afecte a nuestras naves espaciales en un futuro previsible.
Resulta, por tanto, que los dos efectos mencionados están fuera de nuestro alcance. La radiación de Hawking, porque no tenemos cerca ningún agujero negro con el que experimentar. El efecto Unruh, porque no podemos alcanzar las aceleraciones en las que sería perceptible. ¿Significa eso que todo esto son elucubraciones gratuitas, una simple pérdida de tiempo? Quizá no, porque se ha intentado simular ambos efectos utilizando medios tan simples como un cubo de agua.
Simulación del efecto Unruh
  • Un equipo canadiense ha tratado de simular la radiación de Hawking provocando ondas en la superficie del agua que se comporten de forma análoga (en cierto sentido, claro) a un agujero negro. La idea, que se debe precisamente a William Unruh, se basa en que las ecuaciones que rigen el movimiento de los fluidos se parecen a las que gobiernan los campos gravitatorios alrededor de los agujeros negros. Manipulando esas ondas, Unruh y su equipo crearon el equivalente hidráulico a un horizonte de sucesos y, provocando la aparición de pares de ondas fluidas en dicho horizonte, generaron algo semejante a la radiación de Hawking. La revista Science News se hizo eco de esto en diciembre de 2010.
  • Recientemente, un equipo israelí ha simulado el efecto Unruh con ondas provocadas en la superficie del agua, calculando cómo serían vistas por un supuesto observador que se moviera con gran aceleración por entre dichas ondas. Este experimento ha sido igualmente comentado en la revista Science News en septiembre de 2017.
Los críticos de estos experimentos aducen que las ondas en la superficie del agua no son lo mismo que los agujeros negros y los movimientos desmesuradamente acelerados, y que por mucho que las ecuaciones sean parecidas, las situaciones comparadas no tienen por qué ser las mismas. También se ha dicho que el experimento israelí ni siquiera ha simulado la aceleración, simplemente ha calculado cómo podrían verse las ondas que han provocado en el agua si el observador se moviera aceleradamente. Por último, ambos efectos se apoyan en la mecánica cuántica, mientras que su simulación en el agua es puramente clásica.
¿Qué podemos sacar en consecuencia? De momento, ni la existencia de las partículas virtuales, ni la radiación de Hawking, ni el efecto Unruh han sido comprobados experimentalmente, en el mejor caso han sido simulados. Más vale esperar a ver qué pasa.


Manuel Alfonseca

3 comentarios:

  1. Don Manuel: ¿Es cierto que los mejores físicos del mundo todavía no entienden por qué nuestro Universo existe, ya que sus cálculos indican que tendría que haberse destruido en el momento en que nació, cuando las mismas cantidades de materia y antimateria y se tendrían que haber eliminado entre sí?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Es verdad. Hablé de esto en otro artículo:
      La teoría del todo.

      De todas formas, quizá convenga abordarlo con más detalle. Tomo nota.

      Eliminar
  2. El mayor misterio del mundo es que resulta comprensible. Albert Einstein.

    ResponderEliminar

Por favor, no ponga Anónimo o Unknown como origen del comentario. Ponga cualquier nombre, o al menos diga dentro del texto de quién se trata (no tiene que ser su nombre y apellidos). Si todos pusieran Anónimo o Unknown, no sabría si estoy hablando con una persona o con varias.