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]
¿Por qué la energía del punto cero del vacío no causa una constante cosmológica grande ? ¿Qué lo anula?
Los efectos de la energía del vacío pueden observarse experimentalmente en diversos fenómenos como la emisión espontánea , el efecto Casimir y el desplazamiento de 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 ergios ), 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". [ cita necesaria ]
La teoría cuántica de campos afirma que todos los campos fundamentales , como el campo electromagnético , deben cuantificarse en todos y cada uno de los puntos del espacio. En física, un campo puede imaginarse como si el espacio estuviera lleno de bolas y resortes vibrantes interconectados, y la fuerza del campo es como el desplazamiento de una bola desde su posición de reposo. La teoría requiere "vibraciones" o, más precisamente, cambios en la intensidad 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 combinación de bola y resorte esté cuantizada, es decir, que la intensidad del campo esté cuantizada 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, 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 anulan en promedio dejando el vacío vacío en el sentido literal de la palabra. Sin embargo, una excepción importante es la energía de vacío o el valor esperado de la energía en el vacío. La cuantificación de un oscilador armónico simple requiere que la energía más baja posible, o energía de punto cero, de dicho oscilador sea
La suma de todos los osciladores posibles en todos los puntos del espacio da una cantidad infinita. Para eliminar este infinito, se puede argumentar que sólo las diferencias de energía son físicamente mensurables, de forma muy parecida a como el concepto de energía potencial ha sido tratado en la mecánica clásica durante siglos. Este argumento es el fundamento de la teoría de la renormalización . En todos los cálculos prácticos, así es como se maneja el infinito. [ cita necesaria ]
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 en poco tiempo y desaparecen. Sin embargo, estas partículas y antipartículas pueden interactuar con otras antes de desaparecer, proceso que se puede mapear mediante diagramas de Feynman . Tenga en cuenta 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 necesaria ]
Otras contribuciones a la energía del vacío provienen de la ruptura espontánea de la simetría en la teoría cuántica de campos . [ cita necesaria ]
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 juntas debido a las resonancias de la energía del vacío en el espacio entre ellas. Esto ahora se conoce como efecto Casimir y desde entonces ha sido ampliamente verificado experimentalmente. [ página necesaria ] Por lo tanto, se cree que la energía del vacío es "real" en el mismo sentido en que son reales los objetos conceptuales más familiares, como los electrones, los campos magnéticos, etc. Sin embargo, desde entonces se han propuesto explicaciones alternativas para el efecto Casimir. [4]
Otras predicciones son más difíciles de verificar. Las fluctuaciones del vacío siempre se crean como pares partícula-antipartícula. 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 eventual "evaporación" de los agujeros negros . [5] Si una de las dos es arrastrada 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 provocar la desaparición del agujero negro con el tiempo. El tiempo necesario 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 a 60 años para los agujeros negros de gran masa solar. [5]
La energía del vacío también tiene importantes consecuencias para la cosmología física . La relatividad general predice que la energía es equivalente a la masa y, por tanto, si la energía del vacío está "realmente ahí", debería ejercer una fuerza gravitacional . Esencialmente, se espera que una energía del vacío distinta de cero contribuya a la constante cosmológica , que afecta la expansión del universo .
La existencia de la energía del vacío también se utiliza a veces como justificación teórica para la posibilidad de máquinas de energía libre. Se ha argumentado que debido a la simetría rota (en QED), la energía libre no viola la conservación de la energía, ya que las leyes de la termodinámica solo se aplican a sistemas en equilibrio. Sin embargo, el consenso entre los físicos es que esto se desconoce, ya que la naturaleza de la energía del vacío sigue siendo un problema sin resolver.
La intensidad del campo de la 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 un marco matemático que utiliza la intensidad del campo de la energía del vacío como indicador de la resistencia masiva (espacio-tiempo) a la curvatura localizada. Ilustra la asociación de la intensidad del campo de la 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 de campo de la energía del vacío. [6]
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 pedido explicaciones alternativas. [7]
Para probar las predicciones teóricas con respecto a la intensidad del campo de la energía del vacío, en el estudio teórico se recomiendan condiciones experimentales específicas que involucran la posición de la luna. Estas condiciones tienen como objetivo lograr resultados consistentes en mediciones de precisión de G. El objetivo final de tales experimentos es falsificar o proporcionar confirmaciones del marco teórico propuesto. La importancia de explorar la intensidad del campo de la 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 energía del vacío; Sin embargo, en 1955, Evgeny Lifshitz propuso un origen diferente para el efecto Casimir. En 1957, Lee y Yang demostraron los conceptos de simetría rota y violación de la 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 del vacío mecánico-cuántico a gran escala donde la masa -energía positiva se equilibra con la energía potencial gravitacional negativa . Durante la década de 1980, hubo muchos intentos de relacionar los campos que generan la energía del vacío con campos específicos predichos por los intentos de una teoría de la Gran Unificación 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 del vacío, con una densidad como la requerida por la teoría de la inflación, sigue siendo un misterio. [ cita necesaria ]
