Vacío cuántico

La naturaleza del vacío

Los planetas, los objetos y los seres vivos están compuestos principalmente de vacío, pero ¿cuál es la naturaleza de este vacío?
Aunque la palabra "vacío" es de uso general, el vacío es un concepto abstracto moderno, no es fácil de imaginar en un área espacial.
El vacío desina la ausencia de materia dónde hay nada, más la ausencia de materia es imposible encontrar en el universo.
En el laboratorio, el vacío está definido por un límite experimental, se llama el ultravacío. El UHV se obtiene cuando se alcanza la presión baja 10^-7 Pascal. Este espacio se crea con bombas de vacío, pero este vacío, todavía está lleno de millones de partículas por milímetro cúbico. En el espacio cercano, el de nuestro sistema solar, el vacío contiene millones de partículas por metro cúbico, incluso en el espacio profundo entre las estrellas, el vacío todavía contiene varios miles de partículas por m3, algunos protones y algunos electrones por metro cúbico.
Supongamos que delimita en este m3 interestelar, un pedazo de vacío sin partículas, obtenemos un vacío perfecto. Pues no, este vacío se corresponde con el vacío clásico del siglo 19, un vacío sin materia.
El concepto de vacío del siglo 20 es muy trastorno porque para las teorías de la relatividad y la física cuántica, el vacío no está vacío.
Fuera de este pedazo de espacio que nos imaginamos, fuera el vacío, hay protones y electrones que se mueven porque nada es estático en el universo. Estos protones y estos electrones son materia, y la materia encima del cero absoluto emite radiación, es decir, luz.
El cero absoluto es la temperatura más baja que puede existir en el universo, pero esta temperatura teórica es inaccesible por la materia, debido a sus propiedades cuánticas. Sabemos que de acuerdo a la física cuántica, las partículas son objetos tanto corpusculares y ondulatorios, por otra parte estos objetos siempre tienen una cantidad de movimiento diferente de cero es el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg (1901 − 1976).
La radiación emitida por la materia se extiende por todo el espacio en todas las direcciones, las ondas cruzarán nuestro pedazo de espacio vacío.
En realidad, el universo está lleno de radiación, la de bigbang que tiene una temperatura muy baja de 2,728 K (−270,424 °C), sino también todas las otras radiaciones emitidas por los objetos celestes y por lo tanto cualquier materia ordinaria en el universo.
Sabemos desde Max Planck (1858 − 1947) y su famosa fórmula e=hν que la radiación es energía pura.

Y Albert Einstein (1879 − 1955) con su teoría de la relatividad y su famosa fórmula E=mc², nos dice que la energía puede transformarse en materia y la materia en energía. Una vez más, gracias a la física cuántica y las relaciones de incertidumbre, es posible ver en nuestro pedazo de vacío, fluctuaciones de energía porque la variación de energía multiplicada por el intervalo de tiempo de la existencia de las partículas debe ser inferior a la constante de Planck (ΔE x Δt < h) où h ≈ 4,134 335 9×10^-15 eV.s.
Por tanto, estas fluctuaciones de energía depende de la duración de la observación. En otras palabras, si nos fijamos el vacío durante períodos cortos, el femtosegundo (10⁻¹⁵ s), attosegundo (10⁻¹⁸ s), zeptosegundo (10⁻²¹ s), yoctosegundo (10⁻²⁴ s), se puede ver durante períodos de más y más corto, las fluctuaciones de energía cada vez más grandes, y más Δt es pequeño y más ΔE es grande.
Por ejemplo, el bosón de Higgs, que pertenece al vacío, tiene una esperanza de vida de 10⁻²² s.
Así, en nuestro pedazo de vacío, a partir de nada, aparece materia (ΔE) y E=mc². Estos electrones, estos protones y otras partículas y antipartículas son aún más pesados que Δt es pequeño. Estas partículas de materia y antimateria son virtuales porque inmediatamente desaparecen (Δt). Esto viola la ley de conservación de la energía, porque hay materia que se crea y desaparece espontáneamente, y la ley de conservación de la energía nos lo prohíbe (ΔE / Δt = 0). Sin embargo, eso es lo que aprendemos la física cuántica.
Las partículas reales de materia o de energía, por lo que se propagan en este cuasi-medio burbujeante, sensible a las partículas materiales que pueden transferir su energía. Esto es lo que los científicos hacen en un colisionador.
En un colisionador, cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan y transfieren su energía al vacío, esta energía crea partículas materiales reales que salen del vacío y aparecen unos "momentos" en las pantallas de ordenadores (ver foto CERN).
Vivimos en un enorme vacío a la estructura compleja, de las cuales todos los magnitudes tienen valores medios cero. Pero este vacío tiene una considerable energía, esta energía del vacío es mayor que la energía de la materia ordinaria. Ella podría haber jugado un papel en la aparición de nuestro universo real y luego en su inflación.

« Mira el vacío! encontrarás tesoros ».
Jules Renard (1864 − 1910).

Imagen: La abundancia del vacío en el que hay que reconocer la partícula de Higgs. Sabemos por Max Planck (1858 − 1947) y su famosa fórmula E = hv que la radiación es energía pura. Además, desde Albert Einstein (1879 − 1955) y su relatividad especial, la energía se puede transformar en materia y la materia en energía.
Así el vacío mundo estaría de partículas durante tiempos muy cortos. Las partículas de materia o la de energía se propagan en este cuasi-medio prácticamente lleno. Las radiaciones llenan todo el universo, el vacío tiene una estructura compleja de las cuales todas sus variables son cero. En la imagen que se ve una colisión en el campo de Higgs, protones con iones de plomo en el detector ALICE. Foto tomada durante el periodo de prueba en septiembre de 2012 (Foto : CERN).

El vacío hacia un nuevo concepto

Todo el universo, nuestro pedazo de vacío e incluso dentro de los átomos, las partículas y antipartículas pulularía de partículas virtuales que existirían para muy poco tiempo y se renovarían constantemente.
Cuando las partículas reales viajan en el vacío, est decir en todas partes en el universo, las fluctuaciones del vacío cuántico crean su masa. El vacío viene a ella, viscoso, es esta viscosidad del vacío que da una masa a las partículas.
Las partículas del vacío enfriándose a 2,7 K hoy en día, están ordenadas como los espines de los átomos en un campo magnético, todas ellas están polarizadas en una dirección determinada, que da una cierta viscosidad al vacío.
Esta viscosidad del vacío impone su masa a las partículas, este campo es el campo de Higgs. Es posible que en el comienzo del universo, las partículas de Higgs están desordenadas, entonces todas las partículas materiales tienen una masa cero, pero con la inflación y el enfriamiento del universo, las partículas de Higgs se polarizaron, ofreciendo una resistencia a la aceleración de las partículas elementales, incluso neutrinos. En otras palabras, el campo de Higgs ralentiza los quarks que componen los objetos que nos criamos y nos movemos.
En resumen, la masa de inercia de una partícula resulta del grado de interacción con el campo de Higgs. El bosón de Higgs es una partícula que se extrae del vacío causando colisiones de alta energía.

En 1934, Georges Lemaître (1894 − 1966) señaló que el efecto de la constante cosmológica de la relatividad fue similar a la de la densidad de energía del vacío cuántico. En otras palabras, de manera que la energía del vacío que esté compatible con la relatividad requiere que impone una presión negativa, exactamente opuesta a su densidad de energía. Esta presión negativa tiene una fuerza repulsiva que explicaría la expansión acelerada del Universo, visto en todas partes, especialmente desde 1998. Por desgracia, el efecto de esta energía del vacío cuántico, es infinito, aproximadamente 10¹²⁰ veces más grande que el valor observado.
La expansión acelerada del Universo está actualmente asignado a una misteriosa « energía oscura ».
Para tener en cuenta todas las observaciones que debemos apelar a la materia oscura, la energía del vacío, la energía oscura, la inflación, pero nada funciona con nuestras teorías y esto nos obliga a imaginar conceptos exóticos.
Es posible que estamos en la víspera de una gran agitación en la física. Actualmente nuestras teorías se enfrentan a una pared como a principios del siglo 20, cuando pasamos de la mecánica clásica a la relatividad y de la física clásica a la física cuántica.
« Es absolutamente posible que más allá de lo que perciben nuestros sentidos, se esconden mundos insospechados. » Albert Einstein(1879 − 1955)

Imagen: fundo del cielo vista por el satélite Planck. Vivimos en un enorme vacío a la estructura compleja, donde todas las magnitudes tienen valores medios cero. Pero este vacío tiena una considerable energía, esta energía del vacío es mayor que la energía de la materia ordinaria. Ella podría haber jugado un papel en el desarrollo de nuestro universo real y luego en su inflación. Créditos : ESA- collaboration Planck-HFI