12 octubre 2016

¿Qué es la energía del Punto Cero?

Sin complicarnos demasiado, es la energía más baja que un sistema puede poseer, o dicho de otro modo, es la energía residual de un sistema, una vez se le ha extraído toda la energía posible.

Fíjense que por definición, la energía del punto cero no se puede extraer ni utilizar. Si podemos extraer más energía, entonces no hemos llegado al punto cero.

Lo interesante es que la energía del punto cero, no es cero (si no, no habría mucho de lo que hablar, y sería mucho decir que no se puede extraer).

¿Cómo es esto?

Una forma de verlo sin necesidad de ecuaciones complicadas, es teniendo en cuenta la naturaleza dual de la materia: todas las partículas elementales son partículas y ondas.

Puede que a algunos les suene eso de la dualidad onda-corpúsculo de la luz. Pues bien, eso no sólo se aplica a los fotones, sino a todas las partículas, incluidos electrones, protones y neutrones, que como imagino saben, forman los átomos.

Es decir, toda la materia que vemos a nuestro alrededor, en realidad está formada por partículas que también son ondas. Una onda, debe «ondear», por decirlo de alguna forma: vibra, oscila, ondula, es decir, tiene una frecuencia de oscilación. Y todo oscilador tiene una energía asociada a dicha frecuencia (podemos pensar que sería como la energía cinética debida al movimiento de la oscilación).

La única forma de que la energía sea nula, es que su frecuencia sea cero, es decir que no oscile.

Pero una onda que no oscila, no es una onda. Y las partículas son ondas.

Si les duele la cabeza, otra forma de verlo es recordando el Principio de Indeterminación de Heisenberg.

Este principio nos dice (simplificando un poco) que no podemos determinar con toda la precisión que queramos y de forma simultánea, la posición y velocidad de una partícula.

Es decir, cuanto más determinada esté la posición, más indeterminada estará la velocidad, y viceversa. Esta indeterminación es muy pequeña, e inapreciable en el mundo macroscópico (no podemos utilizarla como excusa cuando rozamos el coche al aparcar), pero en el mundo subatómico es de gran importancia. Hay un detalle sutil pero fundamental sobre este principio: no nos está diciendo que no podamos conocer con precisión absoluta (es decir, indeterminación cero) la velocidad o la posición. Podemos tener indeterminación cero en una de las dos magnitudes, pero en ese caso, tendremos indeterminación infinita en la otra.

Una vez aclarado esto, pensemos en un átomo. Los electrones se mueven alrededor de él, y por tanto, poseen energía cinética.

¿Qué ocurriría si pudiéramos extraer toda la energía de un electrón?

Pues que estaría quieto, lo que implicaría que conocemos con absoluta determinación su velocidad: cero.

Pero eso quiere decir que su posición estaría infinitamente indeterminada, es decir, podría estar cerca del átomo, o en el otro extremo del universo. Pero eso no puede ser. Sabemos que el electrón está en un entorno cercano del átomo.

Su posición no está infinitamente indeterminada, por lo que su velocidad nunca puede estar absolutamente determinada. Así que su velocidad nunca podrá ser cero. Siempre tendrá algo de movimiento, y por tanto algo de energía.

Los más minuciosos estarán pensando que estas dos explicaciones que les he dado, no justifican realmente que exista una energía residual no nula, sino más bien que nunca se podrá alcanzar una energía nula (que no es lo mismo).

De hecho, la explicación que recurre al principio de indeterminación, es utilizada también en algunos textos para entender el por qué de la Tercera Ley de la Termodinámica, esto es, que no se puede alcanzar el cero absoluto de temperatura. Bueno, llegados a este punto sólo puedo recurrir al «las complicadas ecuaciones de la mecánica cuántica, dicen que es así».

Según estas ecuaciones, aunque consiguiéramos que la temperatura de un cuerpo descendiera hasta el cero absoluto (que no se puede), las partículas seguirían moviéndose.

El hecho de que en el estado más bajo posible de energía, siga habiendo energía, ha dado nuevas alas a los buscadores de máquinas de movimiento perpetuo, o de energía gratuita.

Utilización en propulsión y levitación

Otra área de la investigación en el campo de la energía del punto cero es cómo puede ser utilizada para propulsión. NASA y British Aerospace tienen programas de investigación con este objetivo, pero producir tecnología práctica es todavía algo muy lejano. Para tener éxito en esta tarea, tendría que ser posible crear efectos repulsivos en el vacío cuántico, lo que de acuerdo a la teoría debería ser posible, y se están diseñando experimentos para producir y medir estos efectos en el futuro.

El Catedrático Ulf Leonhardt y el Doctor Thomas Philbin, de la University of St Andrews en Escocia, han trabajado en una forma de invertir el efecto Casimir, para que sea repulsivo en vez de atractivo. Su descubrimiento puede conducir a la construcción de micromáquinas sin fricción con partes móviles que leviten.

Rueda, Haisch y Puthoffhan propuesto que un objeto masivo acelerado interactúa con el campo de punto cero para producir una fuerza de freno electromagnética que es la verdadera responsable del fenómeno de la inercia; ver electrodinámica estocástica.


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