Suposem que estem en un espectacle de màgia i que un mag ens proporciona una caixa metàl·lica i un detector de partícules per a indagar en el seu interior. Obrim la caixa i comprovem amb el nostre detector que està totalment buida de partícules. Físicament, diríem que la caixa es troba en el seu estat de mínima energia o estat buit, perquè no hi ha res en el seu interior… Aparentment.

Ara el mag segella totalment la caixa i la introduïx en un aparell que fa oscil·lar les seues parets amb una freqüència altíssima. Després d'uns segons ens torna a donar la caixa i en obrir-la… sorpresa! el nostre detector comença a mesurar la presència de partícules a l'interior. La caixa, inicialment buida i segellada durant tot el procés, ja no està tan buida. On està el truc?

“No hi ha cap truc, és màgia”, contestaria el mag.

La màgia de la mecànica quàntica

Efectivament, la nostra intuïció ens diu que, si inicialment no hi ha res dins de la caixa, no pot produir-se res espontàniament del buit, com per art de màgia. “Algun truc ha d'haver-hi”, pensaríem en eixir de l'espectacle. Doncs no, ni hi ha truc, ni és màgia: és mecànica quàntica.

La teoria quàntica, com sol ser habitual, ens trenca tots els esquemes i evidència que la nostra intuïció està fortament construïda sobre principis de física clàssica.

En física quàntica, encara si un observador buidara l'interior d'una caixa de tot contingut material, de tal forma que no poguérem trobar ni una sola partícula o fotó de llum dins, l'estat buit resultant del sistema no està veritablement “buit”, encara que semble sorprenent. La caixa està plena del que coneixem com a “camps quàntics” i, de fet, este observador pot arribar a mesurar una energia diferent de zero en el seu interior.

Un camp de boles

Què és un camp quàntic?

Simplificant molt, un camp quàntic pot entendre's com una xarxa infinita de boles virtuals que permean tot el espaitemps. Estes boles estan interconnectades per ressorts que permeten que la xarxa vibre amb diferents modes d'oscil·lació. En altres paraules: un camp quàntic pot entendre's com una col·lecció infinita de oscil·ladors harmònics acoblats i situats en cada punt de l'espaitemps.

Este camp quàntic pot trobar-se en diferents estats, cadascun dels quals pot caracteritzar-se mitjançant el valor de la seua energia. Quan el camp està en el seu estat de mínima energia diem que es troba en el seu estat buit. Però este buit no és igual si el camp està dins o fora de la caixa.

Fora de la caixa

Si el camp està lliure (sense les lligadures que imposen les parets de la caixa del mag o qualsevol altra interacció), els ressorts que interconnecten els oscil·ladors harmònics es trobarien en el seu estat d'equilibri o relaxació, amb energia potencial nul·la.

Pel fet que cada oscil·lador pot tindre una energia potencial no nul·la, este és l'estat de mínima energia del camp lliure, o estat buit, el valor del qual de l'energia podem convenientment fixar a zero.

Dins de la caixa

Ara bé, la situació és diferent dins de la caixa metàl·lica. En este cas les parets poden “tensionar” els ressorts que acoblen a les infinites boles (els infinits oscil·ladors harmònics del camp quàntic) en comparació a quan el camp està lliure.

Esta “tensió” fa que l'energia potencial de cadascun dels oscil·ladors siga diferent de zero. Com a conseqüència, dins de la caixa un observador pot mesurar valors d'energia no nuls fins i tot en l'estat de mínima energia. És més, mesurarà tant més energia com més xicoteta siga la caixa, perquè més “tensionados” estaran els oscil·ladors en el seu interior.

Això és el que es coneix com efecte Casimir (estàtic). La caixa continua estant buida en el sentit clàssic, perquè no hi ha partícules en el seu interior, però l'estat buit del camp es diu que està “tensionado” o “polaritzat”, ja que el camp té una energia diferent a quan està lliure.

Per exemple, per a una “caixa” ideal constituïda per dues plaques metàl·liques paral·leles d'extensió infinita, l'energia per unitat de volum que prediu la teoria quàntica de camps és: -hc/L⁴ (Pi/1440). En esta expressió “c” denota la velocitat de llum en buit, “L” és la distància entre plaques i “h” és la constant de Planck. Com veiem, a menor separació de plaques, major és l'energia del buit. La presència de la constant de Planck és el que indica que esta energia té un origen genuïnament quàntic. En el límit clàssic, h = 0, l'energia del buit és zero.

Però… com sorgixen les partícules?

Fins ara hem parlat d'energia. Però el detector ha trobat partícules dins de la caixa! Com expliquen els camps quàntics l'existència de partícules en la caixa del mag?

Si la xarxa virtual d'oscil·ladors harmònics del camp quàntic (les infinites boles interconnectades) patix una pertorbació per algun agent extern, es poden excitar modes de vibració o oscil·lació en la xarxa. Estos modes es manifesten, físicament, en forma d'ones o partícules propagant-se en l'espaitemps.

Això és el que ocorre, precisament, amb les oscil·lacions de la caixa produïdes per la màquina del mag. Les parets estan acoblades a la xarxa d'oscil·ladors i estimulen així estes vibracions sobre el propi camp. En altres paraules, les oscil·lacions de la caixa exciten al camp, que passa de l'estat buit a estats de major energia, anomenats estats excitats o estats de partícules.

D'esta manera, el truc de màgia no seria més que un truc de física quàntica.

La creació espontània de partícules

Este mecanisme dinàmic de creació espontània de partícules a partir del buit quàntic es coneix com efecte Casimir dinàmic i té profundes implicacions físiques. Per exemple, igual que les oscil·lacions de les parets de la caixa, la expansió o contracció del propi espaitemps és també capaç de excitar parells de partícules del buit.

Este efecte quàntic es creu que podria ser el responsable de produir, durant l'explosió del big bang cosmològic, tota la matèria que abunda en el nostre univers. Però esta és una gran història per a un altre dia.

Adrian del Rio Vega, Investigador Maria Zambrano en el Departament de Física Teòrica - IFIC, Universitat de València

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. 

Traduït per Àgora CT