Nuestra idea sobre ยซel vacรญoยป ha cambiado mucho en las รบltimas dรฉcadas. De hecho, tal y como hoy lo entendemos, el vacรญo estรก lleno. Pero ยฟlleno de quรฉ? ยฟQuรฉ es el vacรญo? ยฟCรณmo surge la Radiaciรณn de Hawking en agujeros negros? ยฟQuรฉ es la nada?
En esta nueva entrada del blog, hablaremos sobre algunas ideas chulรญsimas de la Teorรญa Cuรกntica de Campos (QFT, para los amigos), el lienzo sobre el que se han pintado los cuadros mรกs exitosos de la Fรญsica Moderna. Mรกs que una mera teorรญa, QFT es una ยซmรกquina de hacer teorรญasยป. Es el marco comรบn con el que hemos conseguido unificar tres de las cuatro interacciones bรกsicas de la Naturaleza. No estรก de mรกs conocer (aunque sea de forma bรกsica) algunos de sus entresijos, ยฟno? ยกVamos a ello!
Primero, debo presentaros a un viejo amigo de la Fรญsica: el Oscilador Armรณnico. Estรก en tooodas partes (ยกhasta es un podcast chulรญsimo, el Oscilador Armรณnico!). En su versiรณn cuรกntica, el oscilador armรณnico estรก condenado a no poder detenerse nunca (de lo contrario, violarรญa el Principio de Incertidumbre, ยฟverdad?)

Segรบn la QFT, todo el espacio vacรญo estรก permeado por ยซcampos cuรกnticosยป. Estos campos son entidades extensas, formadas por una infinidad de minรบsculos osciladores cuรกnticos acoplados. En el vacรญo, esos osciladores tienen su mรญnima energรญa posible.

OJO, porque esto que os estoy contando es una simplificaciรณn. En la QFT ยซde verdadยป, hacemos un paso al lรญmite llamado ยซsegunda cuantizaciรณnยป, de la que no hablaremos aquรญ. Pero sigamos con el tema, porque vienen cosas muy chulas. Como esos infinitos ยซosciladorcitosยป no pueden estarse quietos, su energรญa mรญnima no es cero, lo que significa que la energรญa total de un campo cuรกntico… ES INFINITA. Este es el primero de los infinitos que surgen en QFT (y el mรกs fรกcil de salvar, pero no en esta entrada del blog; esa es una historia que se deberรก contar en otra ocasiรณn).
Cuando los ยซosciladorcitosยป de un campo se excitan, esas excitaciones se ven como ยซpartรญculasยป. O sea, que los electrones (por ejemplo) no son mรกs que diferentes excitaciones de un รบnico ยซcampo electrรณnยป. Y estas excitaciones se mueven ยซpasandoยป de un osciladorcito a otro.
Para hacer cรกlculos en QFT, usamos herramientas llamadas ยซoperadores cuรกnticosยป, que ยซactรบanยป (matemรกticamente hablando) sobre los estados de los campos y nos ยซdevuelvenยป la predicciรณn de cualquier cosa que queramos medir. Un operador muy chulo es el ยซOperador Nรบmeroยป. Ese operador nos dice cuรกntas partรญculas reales hay en un campo determinado (por ejemplo, cuรกntos electrones tenemos). Si aplicamos el Operador Nรบmero al vacรญo, el resultado es… ยกCERO! O sea, que en el vacรญo no hay partรญculas reales.
ยกPero eso no significa que no haya partรญculas! La energรญa del vacรญo (esa energรญa no nula que deben tener los campos) permite que, continuamente, estรฉn apareciendo y esfumรกndose excitaciones (o sea, partรญculas) durante tiempos muy cortos. Esas son las partรญculas virtuales.
Hay incluso partรญculas virtuales que existen en ยซbucles cerradosยป, algo que siempre me ha fascinado cuando me he puesto a reflexionar sobre ello. Un sรญmil para los fans de Regreso al Futuro: ยฟquiรฉn compuso la famosa canciรณn de Chuck Berry?

ยกAbrochaos los cinturones, porque ahora viene algo muy fuerte! Espero que mi nivel divulgativo estรฉ a la altura de la belleza de lo que estoy a punto de explicaros. ยกViene algo brutal!
El espacio y el vacรญo cuรกntico van cogidos de la mano. En tanto en cuanto en un espacio pueda haber partรญculas (y eso serรก asรญ en todo espacio que se precie), necesariamente deberรก haber campos cuรกnticos ยซllenรกndolo todoยป (ya que, como recordarรกs, las partรญculas no son mรกs que la excitaciรณn de los campos).
Si ahora cambiamos (o sea, estiramos o curvamos) el espacio-tiempo donde existe el vacรญo, cambiarรก tambiรฉn su Operador Nรบmero, lo que podrรญa producir… ยกpartรญculas REALES a partir del vacรญo! O sea, ยกque estirando el espacio podemos ยซcrear algoยป a partir de ยซla nadaยป! ยฟY de dรณnde sale la energรญa para que esas partรญculas reales puedan ser arrancadas del vacรญo? Pues del mecanismo que estรฉ produciendo ese estiramiento del espacio-tiempo. De ahรญ es de donde el vacรญo ยซdrena energรญaยป para producir partรญculas 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 despuรฉs de nacer el agujero. Por lo tanto, el nuevo Operador Nรบmero nos darรก muchas partรญculas reales creadas rozando el horizonte.

Esas partรญculas escaparรกn de allรก y, desde lejos, las veremos como un tenue y constante flujo de radiaciรณn (constante, porque el tiempo estรก prรกcticamente congelado en el lugar de donde proviene esa radiaciรณn). Tendremos, pues, ante nosotros, la famosรญsima Radiaciรณn de Hawking.
En su famoso libro ยซHistoria del Tiempoยป, Hawking describiรณ genialmente cรณmo nace esa radiaciรณn, pero sin necesidad de hablar de ยซoperadores nรบmeroยป actuando sobre estados de vacรญo en espacios de Fock. No obstante, esta otra descripciรณn tambiรฉn mola mucho.
Hay otras formas de ยซjugarยป con el vacรญo para producir partรญculas reales. Una muy fรกcil, y que podรฉis hacer ahora mismo, es, simplemente, acelerar. Al hacerlo, vuestro Operador Nรบmero predice la apariciรณn de una radiaciรณn, llamada ยซde Unruhยซ, que es prima-hermana de la de Hawking.

Ojo, he dicho ยซprima-hermanaยป (no son lo mismo, aunque estรกn relacionadas). Si pisas el acelerador de tu coche, mientras dure la aceleraciรณn, se estarรก invirtiendo una รญnfima cantidad de energรญa en ยซarrancar partรญculasยป al vacรญo, que solo tรบ (el sistema acelerado) podrรกs detectar.
ยกQuรฉ bonita es la Teorรญa Cuรกntica de Campos! ยกY aรบn hay muchรญsimo mรกs que contar sobre el vacรญo cuรกntico! Lamentablemente, darรญa para una entrada de blog demasiado larga. Habrรก que dosificar la informaciรณn. ยกHasta la prรณxima!















































































