efecto Casimir

Las moléculas en un gas ultrafrío se parecen a imanes pequeños que se atraen cuando están lejos, pero al acercarse pueden quedar pegadas de forma irreversible. Ese pegamiento destruye el gas: las partículas salen del juego y no se logra llegar al orden cuántico, donde todas se comportan como un todo único.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

Tira una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. De manera similar, cualquier cuerpo, incluso el más pequeño, perturba el campo gravitatorio a su alrededor. En el vacío frío del espacio, estas perturbaciones, como ondas en una superficie tranquila, hacen que dos objetos cercanos siempre se repelan.

Una hoja de papel se estira rápidamente en todas direcciones. Sobre ella hay dibujadas diminutas flechas que representan partículas, y el estiramiento hace que se muevan e interactúen de manera diferente a como lo harían sobre una mesa fija.

Tomemos dos láminas delgadas de un semiconductor. Una está impregnada de electrones libres, como un café abarrotado donde cada mesa está ocupada. La segunda, por el contrario, está llena de lugares vacíos: 'huecos' que ansían llenarse.

Dos láminas transparentes con círculos dibujados. Si se superponen exactamente, los círculos coinciden. Pero basta con girar ligeramente una lámina para que aparezca un nuevo patrón: en unos sitios los círculos se agrupan, en otros se separan. Así funciona más o menos el efecto muaré: un dibujo inesperado que surge al girar dos estructuras periódicas.

El horno está al rojo blanco, pero el polvo cerámico sigue suelto. Se aplica un campo eléctrico y, en unos segundos, el material se asienta, se endurece y se convierte en un monolito resistente. Esta técnica se llama sinterización flash (del inglés "destello") y ahorra horas de cocción y gigavatios de energía.

Dos placas metálicas en el vacío se atraen sin imanes ni cargas. Es el efecto Casimir: el vacío no está vacío, en él constantemente nacen y desaparecen partículas, y entre las placas hay menos que en el exterior. La diferencia de presión empuja las placas una hacia la otra.

Dos pequeñas pesas, cada una del peso de un grano de arena, cuelgan en la oscuridad a una temperatura más fría que el espacio exterior. No se tocan, pero entre ellas hay un hilo invisible: la gravedad. El experimento que ahora construyen los físicos debe captar el momento en que ese hilo tira de una pesa debido al movimiento de la otra.

Un mosaico de cuadrados y triángulos cubre el suelo sin dejar huecos, pero no forma un patrón repetitivo simple. Tal diseño es un cuasicristal, un sólido donde los átomos no se colocan periódicamente, sino siguiendo un patrón de varias ondas de distinta longitud. Estas ondas son inconmensurables entre sí y juntas crean un orden de largo alcance.

Las lentes y espejos de vidrio parecen perfectamente lisos e inmóviles. Pero en su interior hierve una vida oculta. Los átomos en un material amorfo (una sustancia sin red cristalina) están empaquetados de manera desordenada, y este desorden crea un paisaje energético complejo, como un país montañoso con innumerables colinas y valles.

Una esfera de plomo cuelga sobre otra esfera de plomo. Según las leyes ordinarias de la gravedad, se atraen exactamente en vertical, a lo largo de la línea que une sus centros.

Después del Big Bang, el Universo experimentó una serie de transiciones de fase —como agua transformándose en hielo, pero con patrones impredecibles—. Al romperse simetrías discretas en los campos cuánticos, nacieron las paredes de dominio: fronteras entre distintos vacíos, semejantes a cicatrices en el tejido del espacio-tiempo.

El vacío cuántico no es un vacío absoluto. Es más bien una membrana tensa que oscila constantemente debido a partículas invisibles que nacen y desaparecen. Incluso en la oscuridad total, esa membrana tiembla. Los físicos decidieron observar cómo se comporta alrededor de una cáscara esférica delgada, dentro de la cual hay un espacio plano ordinario, como el de nuestra habitación.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

La carga eléctrica no es como un número grabado en piedra. En el vacío que rodea a cualquier partícula cargada, constantemente se crean y aniquilan pares de partícula-antipartícula, algo así como la espuma en una copa de champán.

Cuando dos partículas de materia oscura se acercan, pueden atraerse con más fuerza de lo esperado. Este fenómeno se conoce como amplificación de Sommerfeld y funciona como un muelle invisible que se comprime antes del impacto. Durante mucho tiempo se creyó que el muelle se comprimía tanto más cuanto más lentas se aproximaran las partículas.

Después del Big Bang, el universo pudo haber quedado atrapado en un falso vacío, un estado temporal como una burbuja de jabón lista para reventar. Una rara burbuja de vacío verdadero podría entonces estallar, estirando el espacio en un abrir y cerrar de ojos.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

Los agujeros de gusano son túneles hipotéticos a través del espacio-tiempo curvado, cuya existencia es permitida por la teoría de la relatividad general de Einstein.

Un vaso vacío sobre la mesa parece confiable. Pero si en el fondo hay una microfisura, algún día se romperá, no con estrépito, sino silenciosamente, agrietándose en una telaraña de líneas. Así también el vacío: puede no ser verdadero, sino falso, temporalmente estable pero listo para transitar a un estado más profundo y real.

Dos boyas en las olas. Si lanzas una piedra al agua, los círculos se expanden y mecen primero una boya y luego la otra, no al mismo tiempo. En el mundo cuántico, ese «mecer» se llama entrelazamiento: las partículas, como boyas, empiezan a moverse de manera coordinada.

La luz incide sobre un cristal y arranca un electrón de su lugar legítimo. Queda un vacío: un hueco que se comporta como una carga positiva. El electrón y el hueco se atraen y giran uno alrededor del otro, como una pareja en un baile lento. A este par se le llama excitón (de la palabra «excitación»). Pero este baile no ocurre en el vacío.

El vacío cósmico no es el vacío, sino un océano vivo: su energía se hincha y mengua al compás de la expansión. Como una marea lunar, la densidad del vacío responde con sensibilidad al ritmo de Hubble —la batuta del Universo—.

Dos antenas en una habitación insonorizada solo captan ruido. Pero si empiezas a girarlas —especialmente en direcciones opuestas— entre el ruido emerge una señal común.

La burbuja warp comprime el espacio-tiempo delante de la nave y lo estira detrás, como un barco que empuja el agua. La nave no acelera hasta la velocidad de la luz, sino que se desliza dentro de la burbuja.

Dos diminutos espejos en el vacío son como patinadores en pareja. Sus oscilaciones se sincronizan mediante un hilo gravitacional invisible. Al enfriarlos a millonésimas de grado por encima del cero, ese hilo los convierte en un único vínculo cuántico: el movimiento de uno resuena instantáneamente en el otro.

Una multitud está encerrada en un estrecho pasillo entre dos hileras de espejos. De vez en cuando alguien empuja con fuerza la pared y un rumor recorre el pasillo: así, en el plasma de los cúmulos de galaxias aparecen ondas de silbido y ondas ion-ciclotrón.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

Normalmente, al hacer oscilar rápidamente un espejo en el vacío, se pueden crear partículas reales de la nada: es el efecto Casimir dinámico. Pero cerca de un agujero negro la cosa cambia. La propia curvatura del espacio-tiempo sofoca cualquier intento de crear algo.

Un imán acercado a un puñado de limaduras de hierro las alinea a lo largo de líneas invisibles: así el campo rodea el imán de polo a polo. De manera similar se puede visualizar la gravedad alrededor de cuerpos masivos: solo que en lugar de limaduras está el propio espacio, y en lugar de un imán, una estrella o un agujero negro.

El enigma de la gravedad cuántica ha inquietado las mentes durante casi un siglo. El campo clásico que curva el espacio-tiempo se niega a encajar en el mundo probabilístico de las superposiciones. ¿Puede la gravedad, siendo macroscópica, generar entrelazamiento microscópico?

Cuando un campo eléctrico alcanza una fuerza monstruosa, el vacío deja de estar vacío. Ya a mediados del siglo pasado, Julian Schwinger demostró que el vacío literalmente estalla en pares de partícula-antipartícula si el campo es suficientemente intenso.

A veces en las ecuaciones se cuela algo de más, como una tabla del suelo que chirría y no deja en paz a toda la casa. En la teoría de la gravedad, si se añaden a las ecuaciones los términos de curvatura al cuadrado (y esto es necesario para describir campos muy intensos), aparece una partícula fantasma: pesada, pero con energía…

Imagina una sala abarrotada donde cada persona es una molécula y su conversación privada es el movimiento de los electrones en su interior. En una situación normal, todos hablan consigo mismos y el murmullo general es caótico.

Un pasillo largo con el suelo irregular: en algunos sitios hay baches, en otros, hoyos. Si haces rodar un cochecito de juguete por él, se quedará atascado en el hoyo más profundo, no donde lo soltaste. Algo parecido le ocurre al sonido en un cristal fonónico: un material compuesto por elementos periódicamente dispuestos que controla la propagación de ondas elásticas.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

Sobre un donut de goma se extiende una película invisible: el campo cuántico. Mientras el donut es pequeño, la película está tensa y no se hunde en ningún punto: el vacío permanece vacío. Pero basta con estirar el donut hasta cierto tamaño para que en la película aparezca por sí sola una abolladura: el campo comienza a sentirse en cada punto. Esa abolladura no es casual.

Los físicos intentan escuchar un susurro en una habitación ruidosa. Construyen una cabina insonorizada, pero incluso en ella, la propia respiración y los latidos del corazón crean interferencias. Así se buscan los indicios de la gravedad cuántica: quieren ver cómo la fuerza de la gravedad une dos partículas en un todo único, es decir, las enreda.

Un baterista marca el ritmo y la piel del tambor vibra al compás. Si se golpea con la suficiente frecuencia, las vibraciones se superponen y en el centro surge una zona casi inmóvil: un nodo. Un efecto similar ocurre con las microondas en un material cuyas propiedades cambian con el tiempo.