Adrian del Rio Vega, Universitat de València

Suposem que ens trobem en un espectacle de màgia i que un mag ens proporciona una caixa metàl·lica i un detector de partícules per a indagar-ne l’interior. Obrim la caixa i comprovem amb el nostre detector que és 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 a l’interior… Aparentment.

Ara el mag segella totalment la caixa i la introdueix en un aparell que en fa oscil·lar les 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 és tan buida. On és el truc?

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

La magia de la mecànica quàntica

Efectivament, la nostra intuïció ens diu que si inicialment no hi ha res dins de la caixa, no es pot produir res espontàniament del buit, com per art de màgia. “Algun truc hi ha d'haver”, 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 evidencia que la nostra intuïció està fortament construïda sobre principis de física clàssica.

En física quàntica, fins i tot si un observador buidés l'interior d'una caixa de tot contingut material, de tal forma que no hi poguéssem trobar ni una sola partícula o fotó de llum dins, l'estat buit resultant del sistema no seria veritablement “buit”, encara que semble sorprenent. La caixa és plena del que coneixem com a “camps quàntics” i, de fet, aquest observador pot arribar a mesurar una energia diferent de zero a l’interior.

Un camp de boles

Què és un camp quàntic?

Simplificant molt, un camp quàntic pot entendre com una xarxa infinita de boles virtuals que ameren tot l'espaitemps. Aquestes 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 d'oscil·ladors harmònics acoblats i situats en cada punt de l'espaitemps.

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

Fora de la caixa

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

Pel fet que cada oscil·lador pot tenir una energia potencial no nul·la, aquest 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 aquest cas les parets poden “tensar” els ressorts que acoblen les infinites boles (els infinits oscil·ladors harmònics del camp quàntic) en comparació a quan el camp està lliure.

Aquesta “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. Més encara: mesurarà tanta més energia com menor siga la caixa, perquè els oscil·ladors estaran més “tensats” al seu interior.

Això és el que es coneix com a efecte Casimir (estàtic). La caixa continua trobant-se buida en el sentit clàssic, perquè no hi ha partícules a l’interior, però l'estat buit del camp es diu que està “tensat” o “polaritzat”, ja que el camp té una energia diferent de 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 aquesta expressió c denota la velocitat de llum en buit, L és la distància entre plaques i h és la constant de Planck. Com veiem, com menor és la separació de plaques, major és l'energia del buit. La presència de la constant de Planck és el que indica que aquesta energia té un origen genuïnament quàntic. En el límit clàssic, h = 0, l'energia del buit és zero.

Però… com sorgeixen 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 dins la caixa del mag?

Si la xarxa virtual d'oscil·ladors harmònics del camp quàntic (les infinites boles interconnectades) pateix una pertorbació per algun agent extern, es poden excitar modes de vibració o oscil·lació en la xarxa. Aquests modes es manifesten, físicament, en forma d'ones o partícules que es propaguen 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 aquestes vibracions sobre el propi camp. En altres paraules, les oscil·lacions de la caixa exciten el camp, que passa de l'estat buit a estats de major energia, anomenats estats excitats o estats de partícules.

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

La creació espontània de partícules

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

Aquest 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 aquesta 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

Aquest article es publicà originalment en The Conversation. Llegiu l'original.