La energía del vacío es una energía de fondo subyacente que existe en el espacio en todo el universo . [1] La energía del vacío es un caso especial de energía de punto cero que se relaciona con el vacío cuántico . [2]
Los efectos de la energía del vacío se pueden observar experimentalmente en varios fenómenos como la emisión espontánea , el efecto Casimir y el desplazamiento Lamb , y se cree que influyen en el comportamiento del Universo a escalas cosmológicas . Utilizando el límite superior de la constante cosmológica , se ha estimado que la energía del vacío del espacio libre es de 10 −9 julios (10 −2 ergs ), o ~5 GeV por metro cúbico. [3] Sin embargo, en electrodinámica cuántica , la coherencia con el principio de covarianza de Lorentz y con la magnitud de la constante de Planck sugiere un valor mucho mayor de 10 113 julios por metro cúbico. Esta enorme discrepancia se conoce como el problema de la constante cosmológica o, coloquialmente, la "catástrofe del vacío". [4]
La teoría cuántica de campos establece que todos los campos fundamentales , como el campo electromagnético , deben ser cuantificados en cada punto del espacio. Un campo en física puede ser imaginado como si el espacio estuviera lleno de bolas y resortes vibrantes interconectados, y la fuerza del campo fuera como el desplazamiento de una bola desde su posición de reposo. La teoría requiere "vibraciones" en, o más exactamente cambios en la fuerza de, dicho campo para propagarse según la ecuación de onda apropiada para el campo particular en cuestión. La segunda cuantificación de la teoría cuántica de campos requiere que cada una de esas combinaciones de bola y resorte sea cuantificada, es decir, que la fuerza del campo sea cuantificada en cada punto del espacio. Canónicamente, si el campo en cada punto del espacio es un oscilador armónico simple , su cuantificación coloca un oscilador armónico cuántico en cada punto. Las excitaciones del campo corresponden a las partículas elementales de la física de partículas . Así pues, según la teoría, incluso el vacío tiene una estructura enormemente compleja y todos los cálculos de la teoría cuántica de campos deben realizarse en relación con este modelo del vacío.
La teoría considera que el vacío tiene implícitamente las mismas propiedades que una partícula, como el espín o la polarización en el caso de la luz , la energía, etc. Según la teoría, la mayoría de estas propiedades se cancelan en promedio, dejando el vacío vacío en el sentido literal de la palabra. Sin embargo, una excepción importante es la energía del vacío o el valor esperado de la energía del vacío . La cuantificación de un oscilador armónico simple requiere que la energía más baja posible, o la energía del punto cero de dicho oscilador, sea
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La suma de todos los osciladores posibles en todos los puntos del espacio da como resultado una cantidad infinita. Para eliminar esta infinitud, se puede argumentar que solo las diferencias de energía son medibles físicamente, de forma muy similar a como se ha tratado el concepto de energía potencial en la mecánica clásica durante siglos. Este argumento es la base de la teoría de la renormalización . En todos los cálculos prácticos, así es como se maneja la infinitud. [ cita requerida ]
La energía del vacío también puede considerarse en términos de partículas virtuales (también conocidas como fluctuaciones del vacío) que se crean y destruyen a partir del vacío. Estas partículas siempre se crean a partir del vacío en pares partícula- antipartícula , que en la mayoría de los casos se aniquilan entre sí y desaparecen en poco tiempo. Sin embargo, estas partículas y antipartículas pueden interactuar con otras antes de desaparecer, un proceso que puede representarse mediante diagramas de Feynman . Nótese que este método de calcular la energía del vacío es matemáticamente equivalente a tener un oscilador armónico cuántico en cada punto y, por lo tanto, sufre los mismos problemas de renormalización. [ cita requerida ]
Contribuciones adicionales a la energía del vacío provienen de la ruptura espontánea de la simetría en la teoría cuántica de campos . [ cita requerida ]
La energía del vacío tiene varias consecuencias. En 1948, los físicos holandeses Hendrik BG Casimir y Dirk Polder predijeron la existencia de una pequeña fuerza de atracción entre placas metálicas muy próximas entre sí debido a las resonancias de la energía del vacío en el espacio entre ellas. Esto se conoce ahora como el efecto Casimir y desde entonces se ha verificado experimentalmente en gran medida. [ página necesaria ] Por lo tanto, se cree que la energía del vacío es "real" en el mismo sentido en que lo son objetos conceptuales más familiares, como los electrones, los campos magnéticos, etc. Sin embargo, desde entonces se han propuesto explicaciones alternativas para el efecto Casimir. [6]
Otras predicciones son más difíciles de verificar. Las fluctuaciones del vacío siempre se crean como pares de partículas y antipartículas. El físico Stephen Hawking ha planteado la hipótesis de que la creación de estas partículas virtuales cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro es un mecanismo para la "evaporación" final de los agujeros negros . [7] Si una de las partículas del par es atraída hacia el agujero negro antes de esto, entonces la otra partícula se vuelve "real" y la energía/masa se irradia esencialmente al espacio desde el agujero negro. Esta pérdida es acumulativa y podría resultar en la desaparición del agujero negro con el tiempo. El tiempo requerido depende de la masa del agujero negro (las ecuaciones indican que cuanto más pequeño es el agujero negro, más rápidamente se evapora) pero podría ser del orden de 10 60 años para los agujeros negros de gran masa solar. [7]
La energía del vacío también tiene consecuencias importantes para la cosmología física . La relatividad general predice que la energía es equivalente a la masa y, por lo tanto, si la energía del vacío está "realmente ahí", debería ejercer una fuerza gravitatoria . Esencialmente, se espera que una energía del vacío distinta de cero contribuya a la constante cosmológica , que afecta a la expansión del universo .
La intensidad del campo de energía del vacío es un concepto propuesto en un estudio teórico que explora la naturaleza del vacío y su relación con las interacciones gravitacionales. El estudio derivó en un marco matemático que utiliza la intensidad del campo de energía del vacío como un indicador de la resistencia global (espacio-tiempo) a la curvatura localizada. Ilustra la asociación de la intensidad del campo de energía del vacío con la curvatura del fondo, donde este concepto desafía la comprensión tradicional de la gravedad y sugiere que la constante gravitacional, G, puede no ser una constante universal, sino más bien un parámetro dependiente de la intensidad del campo de energía del vacío. [8]
La determinación del valor de G ha sido un tema de extensa investigación, con numerosos experimentos realizados a lo largo de los años en un intento de medir su valor preciso. Estos experimentos, que a menudo emplean técnicas de alta precisión, han tenido como objetivo proporcionar mediciones precisas de G y establecer un consenso sobre su valor exacto. Sin embargo, los resultados de estos experimentos han mostrado inconsistencias significativas, lo que dificulta llegar a una conclusión definitiva sobre el valor de G. Esta falta de consenso ha desconcertado a los científicos y ha exigido explicaciones alternativas. [9]
Para probar las predicciones teóricas sobre la intensidad del campo de energía del vacío, se recomiendan condiciones experimentales específicas que involucran la posición de la luna en el estudio teórico. Estas condiciones apuntan a lograr resultados consistentes en mediciones precisas de G. El objetivo final de tales experimentos es refutar o proporcionar confirmaciones al marco teórico propuesto. La importancia de explorar la intensidad del campo de energía del vacío radica en su potencial para revolucionar nuestra comprensión de la gravedad y sus interacciones.
En 1934, Georges Lemaître utilizó una inusual ecuación de estado de fluido perfecto para interpretar la constante cosmológica como debida a la energía del vacío. En 1948, el efecto Casimir proporcionó un método experimental para verificar la existencia de la energía del vacío; en 1955, sin embargo, Evgeny Lifshitz ofreció un origen diferente para el efecto Casimir. En 1957, Lee y Yang demostraron los conceptos de simetría rota y violación de paridad , por los que ganaron el premio Nobel. En 1973, Edward Tryon propuso la hipótesis del universo de energía cero : que el Universo puede ser una fluctuación de vacío mecánico-cuántica a gran escala donde la masa -energía positiva se equilibra con la energía potencial gravitatoria negativa . [10] Durante la década de 1980, hubo muchos intentos de relacionar los campos que generan la energía del vacío con campos específicos que fueron predichos por los intentos de una Gran Teoría Unificada y de utilizar observaciones del Universo para confirmar una u otra versión. Sin embargo, la naturaleza exacta de las partículas (o campos) que generan energía de vacío, con una densidad como la requerida por la teoría de la inflación, sigue siendo un misterio. [11]
