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

Cuando tres f√≠sicos descubrieron por primera vez a trav√©s de sus c√°lculos que un √°tomo en descomposici√≥n que se mov√≠a a trav√©s del vac√≠o experimentaba una fuerza similar a la fricci√≥n, no pod√≠an dar cr√©dito. Los resultados parec√≠an ir en contra de las leyes de la f√≠sica. ¬ŅC√≥mo 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 √ļltimo y por extensi√≥n, su definici√≥n tambi√©n hace referencia a la condici√≥n de una regi√≥n donde la densidad de part√≠culas es muy baja, o bien la de una cavidad cerrada donde la presi√≥n del aire u otros gases es menor que la atmosf√©rica.

Ocurre que uno de los principios m√°s fundamentales de la f√≠sica moderna es que en un vac√≠o perfecto (totalmente desprovisto de materia), no puede existir fricci√≥n. ¬ŅPor qu√©? Porque el vac√≠o no puede ejercer una fuerza sobre los objetos que viajan a trav√©s de √©l.

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Ahora estos tres f√≠sicos del Reino Unido podr√≠an poner en duda los libros de f√≠sica. Ellos descubrieron un √°tomo en descomposici√≥n que viajaba a trav√©s de un vac√≠o completo experimentando una fuerza de fricci√≥n. De ser as√≠, lo descubierto reforzar√≠a la teor√≠a de Einstein de la relatividad general. Seg√ļn Matthias Sonnleitner, uno de los f√≠sicos de la Universidad de Glasgow:

Pasamos siglos buscando el error en el c√°lculo y pasamos a√ļn m√°s tiempo explorando otros efectos extra√Īos hasta que encontramos esta soluci√≥n (bastante simple).

Un encuentro fortuito

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En realidad Sonnleitner y sus colegas estaban realizando c√°lculos para predecir el comportamiento de un √°tomo en descomposici√≥n movi√©ndose a trav√©s de un vac√≠o perfecto. Fue ah√≠ cuando notaron algo extra√Īo. Hasta entonces, los cient√≠ficos sab√≠an que un vac√≠o perfecto no puede ejercer ninguna fuerza sobre un √°tomo, aunque todav√≠a pod√≠a interactuar con √©l.

Quiz√°s por ello siempre se ha dicho que es imposible que se pueda crear un vac√≠o perfecto, porque ninguna cantidad de descontaminaci√≥n, por muy peque√Īa que sea, puede garantizar que un √°tomo perdido no se haya adentrado. A√ļn as√≠, los c√°lculos han predicho que ese supuesto vac√≠o perfecto estar√≠a zumbando con su propia energ√≠a extra√Īa entre ‚Äúparejas de part√≠culas y antipart√≠culas que entran y salen‚ÄĚ.

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Es justo aqu√≠, en esa definici√≥n que viene a hablarnos de un vac√≠o perfecto un tanto contradictorio (algo as√≠ como ‚Äúvac√≠o pero no tanto‚ÄĚ), cuando aparece la mec√°nica cu√°ntica y lo que se denomina como principio de incertidumbre de Heisenberg para explicarlo.

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.

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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.

Sonnleitner ha explicado estos d√≠as que se pas√≥ semanas pregunt√°ndose si se hab√≠a vuelto loco. Luego, cuando revis√≥ cientos de veces lo ocurrido, lleg√≥ a una √ļnica conclusi√≥n: E = mc2, es decir, la f√≥rmula con la que Einstein relacionaba la masa y la energ√≠a postulando que nos encontr√°bamos ante la misma cosa.

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Los f√≠sicos se dieron cuenta de que a medida que el √°tomo en movimiento deca√≠a en un estado de energ√≠a m√°s bajo y emit√≠a un fot√≥n en una direcci√≥n aleatoria, esto hac√≠a que se perdiera una peque√Īa cantidad de energ√≠a, lo que equivaldr√≠a a una peque√Īa cantidad de masa. Pero una tan peque√Īa que jam√°s hasta ahora se hab√≠a medido bajo este contexto. Seg√ļn los investigadores:

Esta es la masa en la famosa ecuaci√≥n de Einstein E = mc2 que describe la cantidad de energ√≠a necesaria para romper el n√ļcleo de un √°tomo en sus protones y neutrones. Esta energ√≠a, llamada‚ÄĚ energ√≠a de uni√≥n interna ‚Äú, se cuenta regularmente en la f√≠sica nuclear, pero se considera t√≠picamente insignificante en el contexto de la √≥ptica del √°tomo debido a las energ√≠as mucho m√°s bajas.

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Cuando los investigadores conectaron esta peque√Īa cantidad de masa en sus c√°lculos utilizando la famosa f√≥rmula para resolverlo, encontraron que al perder un peque√Īo pedazo de masa a medida que se descompone, el √°tomo realmente pierde cantidad de movimiento (momentum), no velocidad. Esta parte es muy importante por una raz√≥n: los investigadores realmente detectaron una p√©rdida de impulso debido a un peque√Īo cambio en su masa. Por tanto, su velocidad permanec√≠a constante tal y como debe ser.

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.

¬ŅY ahora qu√©? El equipo dice que el siguiente paso ser√° tratar de ver si el fen√≥meno ocurre cuando un √°tomo absorbe (en lugar de emitir) un fot√≥n. Ellos planean investigar qu√© impacto puede tener este efecto en el modelo convencional de las interacciones √°tomo-luz. A fin de cuentas, nunca es tarde para modificar una teor√≠a establecida, una que nos viene a decir que incluso en el (te√≥ricamente) vac√≠o m√°s perfecto, tambi√©n pueden llegar a ocurrir cosas muy extra√Īas. [Physical Review v√≠a ScienceAlert]