¿Qué es la Energía de Punto Cero? The International Space Federation ISF
Lo que se dilucida en El origen de la masa y la naturaleza de la gravedad y en algunos de nuestros otros estudios es que todos los agujeros negros se están formando de esta manera. En la teoría cuántica de campos (QFT), el campo electromagnético se describe como un campo cuántico que puede existir en cuantos discretos conocidos como fotones. El campo está cuantizado, lo que significa que cada modo (o frecuencia) posible del campo puede describirse como un oscilador armónico cuántico, que como vimos en la Figura 6 son niveles de energía que son múltiplos de la constante reducida de Planck, ℏ, y de la frecuencia del campo, ω.
Las Profundas Implicaciones de la Energía de Punto Cero
Subir por las paredes y sostenerse en el techo es trabajo -incluso con el equivalente de aproximadamente 40 kg de peso colgando del animal (La Fuerza de Ninguna Parte)-, requiere una fuerza, y esa fuerza no sería posible si no fuera por el mar ilimitado de energía de las fluctuaciones de punto cero del campo cuántico del que se nutre el Gecko. De hecho, en El origen de la masa y la naturaleza de la gravedad podemos ver cómo las propiedades físicas más elementales, como la masa y la fuerza, tienen su origen en la densidad de energía de las fluctuaciones del vacío cuántico. Por tanto, no se puede exagerar la importancia para la teoría cuántica de este descubrimiento de la energía de punto cero por parte de Eistein, Planck y otros. Sin embargo, a pesar de haber sido los creadores de la energía de punto cero, ni Planck ni Einstein y Stern sugirieron nunca que pudiera existir un campo de punto cero y, como vimos, la primera discusión sobre esta posibilidad se atribuiría a Walther Nernst en 1916. Sin embargo, las primeras deducciones de Planck, Einstein y Nernst sobre la interacción entre la luz y la materia que da lugar a la densidad ZPE están en las raíces de la mecánica cuántica. Así pues, aunque a la convención le gusta la analogía de los osciladores armónicos como resortes lineales, la situación físicamente más realista es la de esferas giratorias, no pequeños pesos sobre resortes, y está claro que en mecánica cuántica se ven con más precisión como sistemas con características rotacionales intrínsecas (figura 12).
El hecho es que el estado fundamental de la naturaleza no parte de cero, ni puede llegar a cero porque siempre hay fluctuaciones energéticas y, lo que es más importante, estas fluctuaciones no proceden de la «incertidumbre», sino de una energía intrínseca distinta de cero que está siempre presente. Planck descubrió la energía de punto cero de las oscilaciones armónicas (unos 15 años antes de que se formalizara el principio de incertidumbre de Heisenberg) y surgió directamente de hacer coincidir sus ecuaciones que describían los espectros de emisión de un objeto calentado (como una bombilla) con su comportamiento observado. Si no se incluyera un término de energía de punto cero, las ecuaciones que describen la radiación de un material como el filamento de una bombilla serían erróneas (como veremos, catastróficamente erróneas).
Así pues, en lo que respecta a la no conmutatividad de operadores como la absorción y la emisión o la posición y el momento, contrariamente a lo que se afirma a menudo, pero no por ello deja de ser erróneo, el principio de incertidumbre de Heisenberg surge de las fluctuaciones del vacío del ZPE, y no al revés. Además, como la formulación a menudo implicaba considerar un material idealizado que absorbiera perfectamente todas las longitudes de onda, que sería negro puesto que no refleja ninguna longitud de onda, y por tanto se denominaba cuerpo negro idealizado (Figura 3), esta crisis de la termodinámica y la física clásica también se denominó problema del cuerpo negro. Aquí vemos los primeros pasos hacia una unificación de la energía de punto cero con la geometría del espaciotiempo, lo que llevó a Wheeler a describir las partículas elementales como estructuras autosostenidas de energía formadas enteramente por la curvatura del propio espaciotiempo, lo que él llamó «geones», proporcionando una descripción puramente geométrica y basada en campos de las partículas. Un geón (abreviatura de «entidad gravitatoria-electromagnética») es una configuración localizada y estable de campos gravitatorios y electromagnéticos.
Dado que la energía del punto cero es la energía mínima que las partículas no pueden desprenderse ni alterar, no crea estados accesibles entre los que las partículas puedan transitar. En consecuencia, no se requiere energía adicional para mantener el sistema a una temperatura ligeramente diferente, lo que da como resultado un calor específico que se aproxima a cero. La energía del punto cero contribuye a la energía total del sistema, pero no de forma que afecte a las propiedades dependientes de la temperatura, como el calor específico. Obsérvese que Einstein y Stern utilizaron la notación de la constante reducida de Planck ℏ (que vimos en la sección anterior) y para la frecuencia omega, denotada por la letra griega ω (recordando que los osciladores armónicos que se describen están girando y, por tanto, tienen una frecuencia específica de rotación).
Puesto que hay infinitos modos en el campo (correspondientes a todas las frecuencias posibles), la energía total de punto cero del campo electromagnético es formalmente infinita. En la electrodinámica clásica, el campo electromagnético se representa mediante componentes oscilantes del campo eléctrico y magnético. En QFT, sin embargo, cada modo del campo electromagnético (correspondiente a una frecuencia y longitud de onda específicas) se cuantiza y se trata como un oscilador armónico cuántico independiente.
- En la teoría cuántica de campos (QFT), el campo electromagnético se describe como un campo cuántico que puede existir en cuantos discretos conocidos como fotones.
- Esta fórmula no sólo explicaba el espectro de radiación del cuerpo negro observado, sino que además incorporaba niveles de energía cuantizados, lo que evitaba la divergencia a altas frecuencias prevista por la física clásica.
- En conclusión, la energía de punto cero representa una frontera en la que la física fundamental se encuentra con la tecnología transformadora.
- Así pues, aunque a la convención le gusta la analogía de los osciladores armónicos como resortes lineales, la situación físicamente más realista es la de esferas giratorias, no pequeños pesos sobre resortes, y está claro que en mecánica cuántica se ven con más precisión como sistemas con características rotacionales intrínsecas (figura 12).
- La energía de punto cero es la piedra angular de la física fundamental, con implicaciones de gran alcance que se extienden desde el ámbito cuántico hasta las escalas cosmológicas.
- La naturaleza muy real y tangible de la energía de punto cero y las fluctuaciones del vacío cuántico asociadas han sido ampliamente comprobadas mediante validación experimental, como se delinea en la Tabla 1.
Como afirmó el propio Planck tras su descubrimiento de la emisión cuantizada de radiación por lo que describió como cavidades oscilantes en la materia (los osciladores se describieron más tarde como átomos que componen la materia), «la energía 1/2 hv permanece con el oscilador incluso a la temperatura absoluta de cero porque el oscilador material no emitirá energía mientras la energía media total sea menor que hv3. Esto significaba que, aunque su ecuación daba la relación correcta entre la frecuencia de la luz emitida para cualquier temperatura (véase el gráfico anterior en la figura 3), la ecuación implicaba que incluso a cero Kelvin, donde la agitación térmica debería detenerse por completo, el oscilador seguía teniendo una cantidad infinita de energía potencial. Esta energía residual, que era claramente una parte indeleble de la ecuación de Planck para la absorción y emisión de cuerpos negros que resolvió la catástrofe ultravioleta, y que está inextricablemente presente incluso a medida que se aproxima la temperatura cero absoluta fue el primer indicio de la existencia de la energía de punto cero. Sin embargo, esta energía de punto cero, o ZPE como se conoce en notación moderna, a diferencia de la catástrofe ultravioleta, ha sido confirmada experimentalmente. Así, se podría afirmar que el potencial energético que se manifestaba como una emisión ultravioleta infinita en el planteamiento anterior de Rayleigh-Jeans fue rectificado para demostrar que se trata en realidad del estado fundamental del campo electromagnético, o ZPE, que describe la mecánica correcta. La mecánica cuántica pronto se extendería para describir todas las partículas, bosones como los fotones y fermiones como los electrones, como similares a campos, en los que las llamadas «partículas» son sólo excitaciones de los osciladores armónicos cuánticos en una región localizada del campo, que llena todo el espacio.
Al igual que el control de la corriente eléctrica con diodos, el equipo de investigación pretende haber desarrollado un «diodo Casimir» eficaz que puede rectificar la transferencia de energía acoplada por la interacción Casimir. Al utilizar la fuerte no linealidad de la interacción Casimir y la estructura asimétrica cerca del punto excepcional para romper la simetría de inversión temporal modulando la separación entre los voladizos duales (los resonadores micromecánicos) a la frecuencia y amplitud deseadas, los investigadores han realizado una transferencia de energía no recíproca con la interacción Casimir. Como puede verse, existen muchas aplicaciones tecnológicas potenciales del efecto Casimir, entre las que destaca una fuerza de levitación cuando se aplica la geometría correcta (La quiralidad convierte la fuerza Casimir en repulsiva 18, 19). También está el floreciente campo de los dispositivos Casimir funcionales, con un equipo de investigadores que ha diseñado diodos Casimir y transistores Casimir. El diodo Casimir es un dispositivo no recíproco basado en las fluctuaciones del vacío cuántico, que puede afectar a la transferencia unidireccional de energía, como un diodo. En una publicación en la revista Nature Nanotechnology en 2022, el equipo informó de una transferencia no recíproca de energía mediada por el vacío cuántico entre dos osciladores micromecánicos 20.
Pero este éter no puede pensarse como dotado de la calidad característica de medios ponderables, como consistiendo en las partes que pueden seguirse a través del tiempo. El hecho de tener que recurrir a semejante abracadabra nos ha impedido demostrar que la teoría de la electrodinámica cuántica es matemáticamente autoconsistente. Es sorprendente que a estas alturas todavía no se haya demostrado que la teoría es autoconsistente de una forma u otra; sospecho que la renormalización no es matemáticamente legítima. Otros ejemplos son los dispositivos Casimir funcionales (Controlling the Quantum Vacuum for Energy Transfer and Functional Casimir Devices), las metodologías de recolección del vacío cuántico e incluso un supuesto «Quantum Drive» (Spacetime Engineering and Harnessing Zero-point Energy of the Quantum Vacuum).
At the Zero Point: is this Ubiquitous Energy Accessible?
Donde a†a es el operador numérico que representa el número de fotones en ese modo, y el término ½ ℏω representa la energía de punto cero . La energía de punto cero de un modo es la energía que existe incluso cuando no hay fotones presentes en ese modo (recuerda, modo es sólo un término que se refiere al comportamiento oscilatorio del oscilador armónico, por ejemplo, su frecuencia). Surge del hecho de que el oscilador armónico cuántico tiene un nivel de energía mínimo (el estado fundamental) de ½ ℏω en lugar de cero, que, como vimos, fue dilucidado por primera vez por Planck.
Esta naturaleza angular es la razón por la que los osciladores armónicos, en la teoría cuántica, están intrínsecamente relacionados con el giro, los ciclos y los conceptos de fase profundamente conectados con el momento angular. La fórmula de Planck no sólo explicaba el espectro de radiación del cuerpo negro observado, sino que también incorporaba niveles de energía cuantizados, evitando la divergencia a altas frecuencias predicha por la física clásica. Esta fórmula no sólo explicaba el espectro de radiación del cuerpo negro observado, sino que además incorporaba niveles de energía cuantizados, lo que evitaba la divergencia a altas frecuencias prevista por la física clásica.
Es importante destacar que todos estos osciladores armónicos cuánticos que llenan cada punto del espacio en todo el campo tienen fluctuaciones de energía de punto cero en el estado de vacío, formando así el vacío cuántico. Esta energía de punto cero fluctuante y siempre presente del vacío cuántico forma parte integral de la mecánica cuántica y sus formalismos, así como de la cosmología para explicar el fenómeno de la energía oscura asociada a la expansión acelerada del universo 31. Significativamente, en la geometrodinámica cuántica y la concepción de la espuma cuántica del espaciotiempo vemos que la energía de punto cero y las fluctuaciones del vacío impulsan la formación de agujeros negros a escala de Planck.
Estos efectos, antes considerados curiosidades teóricas, se han verificado ahora experimentalmente, aportando pruebas sólidas de la realidad de las fluctuaciones del vacío cuántico. El concepto de ZPE también se ha introducido en la cosmología, donde se ha propuesto como posible explicación de la energía oscura y la expansión acelerada del universo. Nuestro trabajo proporciona una explicación unificada de la masa y las fuerzas fundamentales basada únicamente en la dinámica de las fluctuaciones del vacío cuántico electromagnético, que surgen de la indeleble energía de punto cero del EMF, a través de diferentes escalas. Esto representa una desviación significativa de los modelos estándar de la física de partículas y resuelve cuestiones de larga data en la física como el problema de la jerarquía, el origen de la masa y las fuerzas, y el problema de la constante cosmológica. Sin embargo, debido a la energía de punto cero de cada modo, el vacío no está realmente vacío, sino que se caracteriza por fluctuaciones constantes derivadas de la energía de punto cero.
En el estudio de la International Space Federation sobre la densidad de energía del vacío cuántico en regiones de alta coherencia, evaluada por las funciones de correlación de los operadores de creación-aniquilación, se demuestra que la densidad de energía del vacío cuántico no filtrado es de aproximadamente 8,90 X10113 julios por metro cúbico. Una equivalencia importante que parece haber pasado desapercibida es que un agujero negro es un cuerpo negro perfecto, que absorbe la radiación electromagnética con una eficacia de casi el 100% (sin contar la radiación de Hawking). Cuando se considera el vacío cuántico en la región de espaciotiempo curvado del horizonte de sucesos de un agujero negro, los cálculos muestran que se produce un efecto muy particular en el estado de vacío cuántico del campo electromagnético -siendo la energía de punto cero un constituyente primario del campo electromagnético en el estado de vacío- que se termaliza emitiendo fotones correlacionados con el propio agujero negro.
El viaje hacia la comprensión de la energía de punto cero comenzó a principios del siglo XX, entrelazado con el nacimiento de la propia física cuántica. La historia de su descubrimiento es un testimonio del poder de la investigación científica para revelar el funcionamiento oculto del universo, incluso cuando desafía nuestras suposiciones más fundamentales sobre la realidad. A principios del siglo XIX, las nuevas tecnologías, como la bombilla, despertaban un gran interés por la interacción de los materiales con la radiación. La ingeniería y el desarrollo de bombillas eficientes exigían comprender cómo la energía es absorbida y emitida por los cuerpos materiales, como el filamento de una bombilla. A principios de la década de 1890, la Oficina Alemana de Normalización pidió al físico Max Planck (figura 1) que hiciera más eficientes las bombillas para que emitieran el máximo de luz con el mínimo de energía eléctrica.
The Origin of Mass and the Nature of Gravity
Einstein y Stern acabarían retractándose de su artículo de 1913 porque su trabajo había sugerido que el calor específico-una medida de la capacidad de un material para cambiar de temperatura con una cantidad dada de energía- no cambiaba como resultado de la energía de punto cero a temperaturas ultrabajas sino que, de hecho, según determinaban los datos experimentales, se reducía a cero. A medida que disminuye la temperatura, se reduce la energía térmica disponible en un sistema y, a temperaturas muy bajas, la mayoría de los átomos o partículas de un material se encuentran en sus estados de energía cuántica más bajos. En este estado, carecen de energía térmica suficiente para saltar a niveles energéticos superiores, por lo que permanecen «congeladas» en su lugar. Este fenómeno conduce a la tercera ley de la termodinámica, que establece que a medida que la temperatura se aproxima al cero absoluto, la entropía de un sistema también se aproxima a un mínimo, y el calor específico se aproxima a cero. En mecánica cuántica, la constante reducida de Planck (ℏ, pronunciada como h-bar), también conocida como constante de Dirac denota un cuanto de momento angular, que se obtiene dividiendo la constante de Planck (h, que vimos en las ecuaciones anteriores) por 2ϖ (una rotación angular).
Dado que las ecuaciones de la relatividad general de Einstein demuestran que todas las fuentes de energía geometrizarán el espaciotiempo, y la geometría curvada del espaciotiempo es la gravedad, el VEV de la densidad de energía de punto cero debería dar como resultado un espaciotiempo altamente curvado y una fuerte acción gravitatoria. Esto parece estar en desacuerdo con el valor de expectativa de la energía del vacío de la cosmología, que predice una densidad de energía del espacio del orden de 10-9 J/m3, que mejores casinos internacionales online es una curvatura del espaciotiempo casi plana y posiblemente incluso una fuerza gravitatoria repulsiva, estando estrechamente asociada con el concepto de energía oscura o quintaesencia, que se cree que impulsa la expansión acelerada del universo. Volviendo a nuestro ejemplo de un oscilador de muelle lineal, podemos imaginarlo como excitar el peso sobre el muelle y ver cómo oscila y disipa lentamente la energía cinética (amortigua) y cesa la oscilación. Sin embargo, la ZPE actúa como una mano que «bombea» constantemente el peso (a una frecuencia resonante) manteniendo perpetuamente la oscilación.