Punto cero de energía 2022
Algunos términos que contribuyen a la energía del punto cero en la electrodinámica cuántica. Aunque frecuentemente… [+] suponemos que el valor de estas contribuciones al vacío cuántico suman cero, no hay una base sólida para esa suposición.
Imagina, si puedes, lo que significaría tener un Universo sin absolutamente nada en él. Podrías tomar todos los diversos cuantos de materia y energía y eliminarlos, dejando un Universo sin partículas ni antipartículas de ningún tipo. Podrías eliminar cualquier fuente de gravitación o curvatura espacial, reduciendo tu Universo a nada más que espacio puramente vacío. Podrías proteger el Universo de cualquier campo eléctrico, magnético o que ejerza una fuerza nuclear, eliminando cualquier posible influencia que puedan tener en el espacio-tiempo que estás considerando. Incluso si haces todo eso, todavía no obtendrías “cero” en tu balance para la energía del Universo. Eso es lo que quiere saber Niels Hermes, que escribe para preguntar:
Un campo escalar φ en un falso vacío. Obsérvese que la energía E es mayor que en el verdadero vacío o… [+] estado básico, pero hay una barrera que impide que el campo ruede clásicamente hasta el vacío verdadero. Obsérvese también que se permite que el estado de menor energía (vacío verdadero) tenga un valor finito, positivo y distinto de cero. Se sabe que la energía del punto cero de muchos sistemas cuánticos es mayor que cero.
¿Es real la energía de punto cero?
La energía de punto cero (ZPE) es la menor energía posible que puede tener un sistema mecánico cuántico. A diferencia de la mecánica clásica, los sistemas cuánticos fluctúan constantemente en su estado de energía más bajo, tal y como describe el principio de incertidumbre de Heisenberg[1], por lo que, incluso en el cero absoluto, los átomos y las moléculas conservan cierto movimiento vibratorio. Además de los átomos y las moléculas, el espacio vacío también tiene estas propiedades. Según la teoría cuántica de campos, el universo no puede considerarse como partículas aisladas, sino como campos fluctuantes continuos: campos de materia, cuyos cuantos son fermiones (es decir, leptones y quarks), y campos de fuerza, cuyos cuantos son bosones (por ejemplo, fotones y gluones). Todos estos campos tienen energía de punto cero[2]. Estos campos de punto cero fluctuantes conducen a una especie de reintroducción de un éter en la física[1][3], ya que algunos sistemas pueden detectar la existencia de esta energía. Sin embargo, este éter no puede ser considerado como un medio físico si ha de ser invariante de Lorentz, de manera que no haya contradicción con la teoría de la relatividad especial de Einstein[1].
Energía del vacío
Las respuestas anteriores a esta pregunta establecían la inverosimilitud de recurrir a la energía del punto cero para un uso práctico. Matt Visser, de la Universidad de Washington en San Luis, añade algunos detalles técnicos:
La energía del punto cero (ZPE) es una parte intrínseca e inevitable de la física cuántica. La ZPE ha sido estudiada, tanto teórica como experimentalmente, desde el descubrimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920 y no cabe duda de que la ZPE es un efecto físico real. La “energía del vacío” es un ejemplo específico de ZPE que ha generado considerables dudas y confusión. En un universo plano completamente vacío, los cálculos de la energía del vacío arrojan valores infinitos tanto de signo positivo como negativo, algo que obviamente no se corresponde con la naturaleza del mundo real.
Definitivamente es posible manipular la energía del vacío. Cualquier objeto que cambie la energía del vacío (conductores eléctricos, dieléctricos y campos gravitatorios, por ejemplo) distorsiona el estado mecánico cuántico del vacío. Estos cambios en la energía del vacío suelen ser más fáciles de calcular que la propia energía total del vacío. A veces incluso podemos medir estos cambios en la energía del vacío en experimentos de laboratorio.
Energía libre la carrera hacia el punto cero
Sin embargo, a menudo se discute la idea de una energía de punto cero, decimos que los campos cuánticos fluctúan incluso en el vacío porque el principio de incertidumbre de Heisenberg dice que los “campos no pueden quedarse quietos” y esto produce una densidad de energía en el vacío que no es cero.
Mi pregunta es, ¿cómo se relacionan estas dos ideas? A primera vista, parece contradictorio. Debemos tener el vacío con energía cero, de lo contrario la teoría violaría el principio de la relatividad especial, y sin embargo se suele decir que una QFT que interactúa mantiene un punto de energía cero.
En realidad, se puede añadir un término constante finito a $E$ que corresponda a alguna ambigüedad de ordenación, pero siempre es posible redefinir los estados de forma que su valor sea cero (y por tanto el vacío sea invariante de Poincare) sin cambiar ninguna de las predicciones reales de la teoría. Lo mismo no sería posible si el término de ordenación fuera infinito (y tal vez cortado a alta energía, como hacen creer los cuentos de hadas sobre la energía del vacío), porque tal operador no actuaría en el espacio de Fock.
