Nuestra idea sobre «el vacío» ha cambiado mucho en las últimas décadas. De hecho, tal y como hoy lo entendemos, el vacío está lleno. Pero ¿lleno de qué? ¿Qué es el vacío? ¿Cómo surge la Radiación de Hawking en agujeros negros? ¿Qué es la nada?

En esta nueva entrada del blog, hablaremos sobre algunas ideas chulísimas de la Teoría Cuántica de Campos (QFT, para los amigos), el lienzo sobre el que se han pintado los cuadros más exitosos de la Física Moderna. Más que una mera teoría, QFT es una «máquina de hacer teorías». Es el marco común con el que hemos conseguido unificar tres de las cuatro interacciones básicas de la Naturaleza. No está de más conocer (aunque sea de forma básica) algunos de sus entresijos, ¿no? ¡Vamos a ello!

Primero, debo presentaros a un viejo amigo de la Física: el Oscilador Armónico. Está en tooodas partes (¡hasta es un podcast chulísimo, el Oscilador Armónico!). En su versión cuántica, el oscilador armónico está condenado a no poder detenerse nunca (de lo contrario, violaría el Principio de Incertidumbre, ¿verdad?)

 

Según la QFT, todo el espacio vacío está permeado por «campos cuánticos». Estos campos son entidades extensas, formadas por una infinidad de minúsculos osciladores cuánticos acoplados. En el vacío, esos osciladores tienen su mínima energía posible.

 

OJO, porque esto que os estoy contando es una simplificación. En la QFT «de verdad», hacemos un paso al límite llamado «segunda cuantización», de la que no hablaremos aquí. Pero sigamos con el tema, porque vienen cosas muy chulas. Como esos infinitos «osciladorcitos» no pueden estarse quietos, su energía mínima no es cero, lo que significa que la energía total de un campo cuántico… ES INFINITA. Este es el primero de los infinitos que surgen en QFT (y el más fácil de salvar, pero no en esta entrada del blog; esa es una historia que se deberá contar en otra ocasión).

Cuando los «osciladorcitos» de un campo se excitan, esas excitaciones se ven como «partículas». O sea, que los electrones (por ejemplo) no son más que diferentes excitaciones de un único «campo electrón». Y estas excitaciones se mueven «pasando» de un osciladorcito a otro.

Para hacer cálculos en QFT, usamos herramientas llamadas «operadores cuánticos», que «actúan» (matemáticamente hablando) sobre los estados de los campos y nos «devuelven» la predicción de cualquier cosa que queramos medir. Un operador muy chulo es el «Operador Número». Ese operador nos dice cuántas partículas reales hay en un campo determinado (por ejemplo, cuántos electrones tenemos). Si aplicamos el Operador Número al vacío, el resultado es… ¡CERO! O sea, que en el vacío no hay partículas reales.

¡Pero eso no significa que no haya partículas! La energía del vacío (esa energía no nula que deben tener los campos) permite que, continuamente, estén apareciendo y esfumándose excitaciones (o sea, partículas) durante tiempos muy cortos. Esas son las partículas virtuales.

Hay incluso partículas virtuales que existen en «bucles cerrados», algo que siempre me ha fascinado cuando me he puesto a reflexionar sobre ello. Un símil para los fans de Regreso al Futuro: ¿quién compuso la famosa canción de Chuck Berry?

¡Abrochaos los cinturones, porque ahora viene algo muy fuerte! Espero que mi nivel divulgativo esté a la altura de la belleza de lo que estoy a punto de explicaros. ¡Viene algo brutal!

El espacio y el vacío cuántico van cogidos de la mano. En tanto en cuanto en un espacio pueda haber partículas (y eso será así en todo espacio que se precie), necesariamente deberá haber campos cuánticos «llenándolo todo» (ya que, como recordarás, las partículas no son más que la excitación de los campos).

Si ahora cambiamos (o sea, estiramos o curvamos) el espacio-tiempo donde existe el vacío, cambiará también su Operador Número, lo que podría producir… ¡partículas REALES a partir del vacío! O sea, ¡que estirando el espacio podemos «crear algo» a partir de «la nada»! ¿Y de dónde sale la energía para que esas partículas reales puedan ser arrancadas del vacío? Pues del mecanismo que esté produciendo ese estiramiento del espacio-tiempo. De ahí es de donde el vacío «drena energía» para producir partículas reales.

Imaginemos una nube de gas que colapsa directamente a un agujero negro. El espacio-tiempo cerca del horizonte de sucesos es muy distinto entre antes y después de nacer el agujero. Por lo tanto, el nuevo Operador Número nos dará muchas partículas reales creadas rozando el horizonte.

Esas partículas escaparán de allá y, desde lejos, las veremos como un tenue y constante flujo de radiación (constante, porque el tiempo está prácticamente congelado en el lugar de donde proviene esa radiación). Tendremos, pues, ante nosotros, la famosísima Radiación de Hawking.

En su famoso libro «Historia del Tiempo», Hawking describió genialmente cómo nace esa radiación, pero sin necesidad de hablar de «operadores número» actuando sobre estados de vacío en espacios de Fock. No obstante, esta otra descripción también mola mucho.

Hay otras formas de «jugar» con el vacío para producir partículas reales. Una muy fácil, y que podéis hacer ahora mismo, es, simplemente, acelerar. Al hacerlo, vuestro Operador Número predice la aparición de una radiación, llamada «de Unruh«, que es prima-hermana de la de Hawking.

Ojo, he dicho «prima-hermana» (no son lo mismo, aunque están relacionadas). Si pisas el acelerador de tu coche, mientras dure la aceleración, se estará invirtiendo una ínfima cantidad de energía en «arrancar partículas» al vacío, que solo tú (el sistema acelerado) podrás detectar.

¡Qué bonita es la Teoría Cuántica de Campos! ¡Y aún hay muchísimo más que contar sobre el vacío cuántico! Lamentablemente, daría para una entrada de blog demasiado larga. Habrá que dosificar la información. ¡Hasta la próxima!