El efecto Unruh es esquivo. Y relativamente poco conocido. Sin embargo, a menudo sin saberlo, los aficionados al cine de ciencia ficción estamos familiarizados con él. Podemos ver un fenómeno razonablemente similar en algunas películas en las que aparecen naves espaciales capaces de acelerar en un instante hasta alcanzar una velocidad cercana a la de la luz, o, incluso, superarla, como las de las sagas 'Star Wars' o 'Star Trek'.
Los físicos William George Unruh, Stephen Fulling y Paul Davies lo describieron matemáticamente en trabajos independientes entre los años 1973 y 1976, y desde entonces varios grupos de investigación han intentado recrearlo en sus laboratorios. He utilizado expresamente la palabra 'intentar' debido a que, aunque los responsables de algunos experimentos aseguran haber coqueteado con él, el grueso de la comunidad científica ha arrojado muchas dudas sobre estas demostraciones.
Y es que algunos de los ingredientes que debemos introducir en nuestra receta si queremos cocinar este fenómeno son la teoría cuántica de campos, el continuo espacio-tiempo o la radiación de cuerpo negro. Suena complicado, y, de hecho, lo es, por lo que es una buena idea recurrir al efecto que nos proponen algunas películas de ciencia ficción para que podamos intuir de la forma más certera posible en qué consiste de acuerdo con la descripción teórica que han elaborado los físicos.
El vacío, en realidad, no está vacío
Probablemente la recreación que nos propone el cine de este mecanismo es accidental y solo persigue dotar de una mayor espectacularidad a las secuencias en las que vemos que una nave espacial consigue acelerar súbitamente hasta rebasar la velocidad de la luz.
En cualquier caso, algunas películas de ciencia ficción nos muestran cómo durante esos instantes las cabinas de estas naves se ven inundadas por una luz intensa aunque se encuentren en una región del espacio alejada de cualquier estrella. Y, curiosamente, este fenómeno es similar al que describen los físicos cuando nos hablan del efecto Unruh.
La descripción formal de este efecto es compleja y nada intuitiva, pero podemos acercarnos a ella de una forma un poco más amigable si tomamos como punto de partida el hecho de que la teoría cuántica de campos nos dice que, en realidad, el vacío no está vacío. La noción con la que todos estamos familiarizados nos invita a aceptar que para obtener el vacío debemos extraer toda la materia y la energía de una región concreta del espacio.
Desde una perspectiva cuántica el vacío está sometido a unas fluctuaciones descritas por el principio de indeterminación de Heisenberg
Sin embargo, esta visión ha sido superada por la ciencia moderna. El desarrollo de la mecánica relativista y la mecánica cuántica ha permitido a los científicos elaborar una descripción del vacío mucho más ajustada a la realidad en la que se concibe como un estado físico de un sistema que está vinculado a la mínima energía que este puede tener. Las implicaciones de esta idea, que ha sido comprobada experimentalmente, son muy profundas. Y también muy sorprendentes.
Desde la perspectiva de la mecánica cuántica el vacío contiene ondas que se originan al azar. Además, estas ondas se comportan como partículas, por lo que una forma de definir este vacío cuántico consiste en describirlo como una sopa de partículas que surgen y se destruyen con mucha rapidez. Esto es lo que se conoce como fluctuaciones del vacío, y la mejor herramienta que tenemos para entenderlas es el principio de indeterminación de Heisenberg.
El vacío del espacio no está en absoluto vacío. Contiene, cuando menos, trazas de materia, así como rayos cósmicos y la radiación cósmica de fondo.
No necesitamos conocer qué nos dice este principio en toda su extensión, pero para seguir adelante nos viene bien saber que es un teorema que defiende que en los sistemas físicos descritos por la mecánica cuántica, que estudia las propiedades de la naturaleza a escala atómica, no podemos determinar simultáneamente el valor de todos los parámetros físicos que podemos observar.
En mecánica clásica podemos describir un sistema físico cualquiera enumerando el valor de los parámetros que podemos medir, pero en mecánica cuántica no podemos hacerlo.
A la caza del esquivo efecto Unruh
Este fenómeno se erige sobre la noción de vacío que nos propone la física cuántica. De hecho, sugiere desde un punto de vista teórico que la naturaleza del vacío depende de la trayectoria que sigue un observador acelerado a través del continuo espacio-tiempo.
La predicción de Unruh, Fulling y Davies propone que un objeto con masa sometido a una aceleración en el vacío está sometido a la radiación electromagnética resultante de su interacción con las fluctuaciones cuánticas que, como hemos visto, tienen lugar en el falso vacío del espacio.
Esta descripción es incompatible con la noción de vacío convencional que todos intuimos sin dificultad, pero encaja como un guante con la formulación del vacío que nos propone la mecánica cuántica.
Además, según los físicos la radiación resultante de la interacción entre la masa acelerada y las fluctuaciones del vacío cuántico debería adquirir la forma de un resplandor, lo que nos lleva, de nuevo, a la manera inesperadamente acertada en que las películas de ciencia ficción describen visualmente los viajes hiperlumínicos.
Según los físicos la radiación resultante de la interacción entre la masa acelerada y las fluctuaciones del vacío cuántico debería adquirir la forma de un resplandor
El problema es que comprobar experimentalmente la existencia de este efecto no es nada fácil. Y no lo es debido a que para que los científicos sean capaces de identificar y medir la radiación electromagnética resultante de la interacción es necesario que la aceleración que experimenta el objeto sea brutal. De hecho, si el objeto con masa estuviese conformado únicamente por un solo átomo tendría que acelerar hasta alcanzar la velocidad de la luz en una millonésima parte de un segundo.
Este es el gran desafío al que se enfrentan los físicos desde hace más de cuarenta años, pero unos investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (Estados Unidos) y la Universidad de Waterloo (Canadá) han publicado un interesantísimo artículo en la revista científica Physical Review Letters en el que aseguran que presumiblemente han encontrado la forma de identificar experimentalmente el efecto Unruh.
Su estrategia se apoya en la idea de que la teoría nos indica que este fenómeno puede surgir espontáneamente como resultado de las fluctuaciones del vacío cuántico. Si introducimos una masa acelerada en esta región del espacio la probabilidad de que se produzca este efecto se incrementa, de manera que estos físicos proponen maximizar esta probabilidad introduciendo luz.
Al añadir fotones a la región sometida al vacío las fluctuaciones se multiplican drásticamente
En su artículo explican que al añadir fotones a la región sometida al vacío las fluctuaciones se multiplican drásticamente, de modo que la probabilidad de que se produzca el efecto Unruh al introducir una masa acelerada son mucho mayores. De hecho, la forma en que planean abordar su experimento consiste en acelerar un único átomo de manera que siga una trayectoria específica a través de una región del espacio repleta de fotones.
La diferencia más relevante entre este experimento y los que se han llevado a cabo con anterioridad con este mismo propósito consiste en que, sobre el papel, estos físicos pueden conseguir estimular con eficacia la producción del efecto Unruh. Y, además, confían en que su experimento les ayude a arrojar luz acerca de la radiación de Hawking, postulada por el desaparecido Stephen Hawking. Pero esta es otra historia. Una en la que nos sumergiremos si os interesa este tema y nos lo hacéis saber en los comentarios.
Imagen de portada: Javier Noval
Más información: Physical Review Letters, Science Daily
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