¿Se calienta el espacio cuando aceleras? Proponen una forma de probar esta controvertida idea

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Hace más de 40 años, un destacado teórico de la relatividad hizo una predicción sorprendente. Mientras que el espacio vacío debe sentirse inmensamente frío para cualquier observador que se desplace a una velocidad constante, para uno que esté acelerando, imaginemos a uno montado en un cohete, encontraría un espacio vacío caliente. Este efecto, conocido como efecto Unruh, parecía ser prácticamente imposible de medir, pero ahora cuatro teóricos afirman haber ideado un experimento factible que podría confirmar la física subyacente. Los escépticos argumentan que no lo hará, pero por razones contradictorias.

“La esperanza es que esto convenza a los escépticos de que todo esto es coherente”, dice Stephen Fulling, físico teórico y matemático de la Universidad Texas A&M en College Station, que no participó en el estudio. Por su lado, Vladimir Belinski, teórico de la Red Internacional de Centros de Astrofísica Relativista en Pescara, Italia, dice: “El efecto Unruh es un disparate, está basado en un error matemático”.

De acuerdo con las teorías de Albert Einstein sobre la relatividad especial y la relatividad general, las cosas pueden resultar extrañamente diferentes para dos observadores que se hallen en movimiento relativo. Supongamos que te encuentras junto a una vara de medir de un metro con un reloj en tu muñeca. Si tu amigo se acerca a una velocidad cercana a la luz, verá que el palo es más corto que un metro y que tu reloj marca el tiempo de forma anormalmente lenta. A la inversa, si es tu amigo el que lleva una vara de medir, verás cómo se contrae y, para ti, su reloj marcará lentamente. [Puedes encontrar un análisis más detallado en nuestra historia “¿Qué es el espacio-tiempo?“]

Las cosas se vuelven aún más extrañas si un observador acelera. Cualquier observador que viaje a una velocidad constante medirá la temperatura del espacio vacío como cero absoluto. Pero un observador que se encuentre acelerando hallará el vacío más caliente. Al menos eso es lo que argumentó William Unruh, un teórico de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Canadá. Para un observador que no se halle acelerando, el vacío carecerá de partículas, de modo que si tiene un detector de partículas no registrará clics. En cambio, Unruh argumentó, un observador que se encuentre acelerando detectará una niebla de fotones y otras partículas, ya que el número de partículas cuánticas revoloteando depende del movimiento del observador. Cuanto mayor sea la aceleración, mayor será la temperatura de esa niebla o “baño”.

El efecto es demasiado débil para medirlo directamente. Para observar 1K de calor en el vacío, un observador tendría que acelerar 100.000 billones de veces más rápido que el mejor cohete. Pero Daniel Vanzella, teórico de la Universidad de São Paulo en São Carlos, Brasil, sostiene que debería ser posible detectar el elemento clave: la niebla de los fotones vistos por el observador que está acelerando, al estudiar la luz irradiada por los electrones.

Así es como funcionaría: Supongamos que disparas un montón de electrones lateralmente a través de un campo magnético. La física básica dicta que los electrones girarán en círculos en el campo. Si ahora aplicas un campo eléctrico vertical para dar también a los electrones un empuje ascendente, además de circular, el grupo también acelerará hacia arriba. Por tanto, la configuración define dos marcos de referencia. En el marco que acelera hacia arriba con el grupo, los electrones giran en círculos (véase la imagen). En el “marco de laboratorio”, que no está acelerado, el montón traza una trayectoria estirada como un sacacorchos.

(Imagen ampliable) La prueba del efecto Unruh se realizaría utolizando dos marcos de referencia. Imagen: V. Altounian/Science, adaptada de Adrian Cho, traducida por ¡QFC!

Vanzella y sus colegas comenzaron su análisis con el marco acelerador, donde asumen que los electrones circulantes se encuentran con la niebla de fotones explicada anteriormente. Los electrones absorberán los fotones e irradiarán fotones hacia la niebla. Extrañamente, cada evento en el marco acelerado en el que los electrones absorben o emiten un fotón corresponde a un evento en el marco de laboratorio en el que los electrones emiten un fotón. Los teóricos usan la teoría de la relatividad para predecir el espectro de los fotones emitidos en el marco del laboratorio, según informan en un artículo publicado en el Physical Review Letters.

En el marco del laboratorio, calculan, el espectro de los fotones emitidos debería delatar un exceso a largas longitudes de onda, pero sólo si había una niebla de fotones en el marco acelerador para empezar, dice Vanzella. En términos generales, la niebla de fotones en el marco acelerado calienta los electrones y los hace irradiar un poco más que en el marco del laboratorio. Por lo tanto, el experimento proporcionaría una manera de probar si el efecto de Unruh existe: observa el exceso de fotones de longitud de onda larga en el marco del laboratorio, y sabrás que el espacio del marco acelerado está lleno de fotones.

Los escépticos dicen que el experimento no funcionará, pero no están de acuerdo en por qué. Si la situación se analiza adecuadamente, no existe ninguna niebla de fotones en el marco acelerado, dice Detlev Buchholz, un teórico de la Universidad de Göttingen en Alemania. “¡El gas Unruh no existe!” comenta. Sin embargo, dice Buchholz, el vacío le parecerá caliente a un observador acelerado, pero será debido a una especie de fricción que surge a través de la interacción entre la incertidumbre cuántica y la aceleración. Por lo tanto, el experimento podría mostrar el efecto deseado, pero eso no revelaría la supuesta niebla de fotones en el marco acelerado.

En cambio, Robert O’Connell, teórico de la Universidad Estatal de Louisiana en Baton Rouge, insiste en que en el marco acelerado hay una niebla de fotones. Sin embargo, sostiene, no es posible extraer energía de esa niebla para producir radiación adicional en el marco del laboratorio. O’Connell cita una parte básica de la física llamada teoría de la fluctuación-disipación, que establece que una partícula que interactúa con un baño de calor bombeará tanta energía en el baño como se saca. Así, él sostiene, la niebla de Unruh de los fotones existe, pero en cualquier caso, el experimento no debería producir la señal supuesta.

George Matsas, teórico de la Universidad Estatal de São Paulo, y autor del nuevo artículo, dice que está buscando experimentadores interesados ​​en realizar la prueba. Podría hacerse con aceleradores de partículas y electroimanes disponibles hoy en día, dice Matsas. “Los parámetros en el artículo fueron elegidos para que resultaran realistas”, dice. No obstante, incluso si el experimento funciona como se predijo, parece probable que el debate sobre el efecto Unruh siga en boga por mucho tiempo.

Artículo original publicado por la revista Science. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-04-17T13:22:38+00:00