Task Force One, the world’s first nuclear-powered task force. Wikimedia Commons

Cuando tres físicos descubrieron por primera vez a través de sus cálculos que un átomo en descomposición que se movía a través del vacío experimentaba una fuerza similar a la fricción, no podían dar crédito. Los resultados parecían ir en contra de las leyes de la física. ¿Cómo demonios ha podido ocurrir esto?

La importancia del descubrimiento se explica de manera medianamente sencilla a través de la propia definición de vacío. Cuando hablamos de ello estamos ante la ausencia total de material en los elementos (materia) en un determinado espacio o lugar, o a la falta de contenido en el interior de un recipiente.

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Por último y por extensión, su definición también hace referencia a la condición de una región donde la densidad de partículas es muy baja, o bien la de una cavidad cerrada donde la presión del aire u otros gases es menor que la atmosférica.

Ocurre que uno de los principios más fundamentales de la física moderna es que en un vacío perfecto (totalmente desprovisto de materia), no puede existir fricción. ¿Por qué? Porque el vacío no puede ejercer una fuerza sobre los objetos que viajan a través de él.

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Ahora estos tres físicos del Reino Unido podrían poner en duda los libros de física. Ellos descubrieron un átomo en descomposición que viajaba a través de un vacío completo experimentando una fuerza de fricción. De ser así, lo descubierto reforzaría la teoría de Einstein de la relatividad general. Según Matthias Sonnleitner, uno de los físicos de la Universidad de Glasgow:

Pasamos siglos buscando el error en el cálculo y pasamos aún más tiempo explorando otros efectos extraños hasta que encontramos esta solución (bastante simple).

Un encuentro fortuito

En realidad Sonnleitner y sus colegas estaban realizando cálculos para predecir el comportamiento de un átomo en descomposición moviéndose a través de un vacío perfecto. Fue ahí cuando notaron algo extraño. Hasta entonces, los científicos sabían que un vacío perfecto no puede ejercer ninguna fuerza sobre un átomo, aunque todavía podía interactuar con él.

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Quizás por ello siempre se ha dicho que es imposible que se pueda crear un vacío perfecto, porque ninguna cantidad de descontaminación, por muy pequeña que sea, puede garantizar que un átomo perdido no se haya adentrado. Aún así, los cálculos han predicho que ese supuesto vacío perfecto estaría zumbando con su propia energía extraña entre “parejas de partículas y antipartículas que entran y salen”.

Es justo aquí, en esa definición que viene a hablarnos de un vacío perfecto un tanto contradictorio (algo así como “vacío pero no tanto”), cuando aparece la mecánica cuántica y lo que se denomina como principio de incertidumbre de Heisenberg para explicarlo.

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Básicamente, este principio establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas observables y complementarias sean conocidas con precisión arbitraria. Por tanto, este principio nos dice que pueden existir innumerables partículas virtuales que podrían aparecer y desaparecer (siempre teóricamente) en momentos aleatorios en el vacío.

Estos cambios cuánticos producen campos eléctricos fluctuantes de manera aleatoria, y los cálculos del equipo de Glasgow describen cómo podrían interactuar con un átomo que viaja a través de un vacío, haciendo que absorba energía y entre en un estado de excitación. Entonces, a medida que el átomo excitado disminuye a un estado de energía inferior emite un fotón (o partícula de luz) en una dirección aleatoria.

he four-meter-tall sculpture of Einstein’s 1905. Wikimedia Commons

Lo increíble e histórico fue que el equipo calculó lo que ocurre cuando se emite un fotón mientras el átomo se mueve en la dirección opuesta al fotón, detectando entonces una fuerza similar a la fricción que parece producir una pérdida de velocidad. Si están en lo cierto y esta descripción es correcta, se trataría de una violación del principio de relatividad.

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Sonnleitner ha explicado estos días que se pasó semanas preguntándose si se había vuelto loco. Luego, cuando revisó cientos de veces lo ocurrido, llegó a una única conclusión: E = mc2, es decir, la fórmula con la que Einstein relacionaba la masa y la energía postulando que nos encontrábamos ante la misma cosa.

Los físicos se dieron cuenta de que a medida que el átomo en movimiento decaía en un estado de energía más bajo y emitía un fotón en una dirección aleatoria, esto hacía que se perdiera una pequeña cantidad de energía, lo que equivaldría a una pequeña cantidad de masa. Pero una tan pequeña que jamás hasta ahora se había medido bajo este contexto. Según los investigadores:

Esta es la masa en la famosa ecuación de Einstein E = mc2 que describe la cantidad de energía necesaria para romper el núcleo de un átomo en sus protones y neutrones. Esta energía, llamada” energía de unión interna “, se cuenta regularmente en la física nuclear, pero se considera típicamente insignificante en el contexto de la óptica del átomo debido a las energías mucho más bajas.

Cuando los investigadores conectaron esta pequeña cantidad de masa en sus cálculos utilizando la famosa fórmula para resolverlo, encontraron que al perder un pequeño pedazo de masa a medida que se descompone, el átomo realmente pierde cantidad de movimiento (momentum), no velocidad. Esta parte es muy importante por una razón: los investigadores realmente detectaron una pérdida de impulso debido a un pequeño cambio en su masa. Por tanto, su velocidad permanecía constante tal y como debe ser.

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Así que en lugar de violar la relatividad por encontrar fricción en el vacío, el fenómeno realmente predice algo que los principios de la relatividad ya decían: la disminución de la masa hace que el átomo pierda una cantidad diminuta de impulso como predice la relatividad especial.

¿Y ahora qué? El equipo dice que el siguiente paso será tratar de ver si el fenómeno ocurre cuando un átomo absorbe (en lugar de emitir) un fotón. Ellos planean investigar qué impacto puede tener este efecto en el modelo convencional de las interacciones átomo-luz. A fin de cuentas, nunca es tarde para modificar una teoría establecida, una que nos viene a decir que incluso en el (teóricamente) vacío más perfecto, también pueden llegar a ocurrir cosas muy extrañas. [Physical Review vía ScienceAlert]