El efecto Casimir existe también en física clásica

Físicos alemanes la han medido directamente por primera vez.

El efecto Casimir es un fenómeno célebre en mecánica cuántica. ¡Sin embargo su análogo en física clásica existe!. Fue predicha en 1978 por Michael Fisher y Pierre Gilles de Gennes. Físicos alemanes la han medido directamente por primera vez.

Para comprender lo que han hecho los investigadores, debemos volver al origen del concepto de campo de fuerza en física.

En física, un campo de fuerza es definido por el valor de la fuerza que puede ejercer en todos los puntos del espacio sobre una partícula. Así, para definir el campo electromagnético, consideramos un fluido de partículas cargadas en el espacio, y las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo son implícitamente las ecuaciones que dan el movimiento de tal fluido cargado en respuesta a las fuerzas electromagnéticas. Así como los movimientos de los fluidos son combinaciones de rotaciones, de traslaciones y dilataciones, los diferentes términos de las ecuaciones de Maxwell dan expresiones para índices de rotación y de dilatación en un fluido cargado sometido a campos eléctricos y magnéticos.

Podemos ir más lejos con esta imagen de fluido. En efecto, éste puede resultar de la condensación de un gas, y aunque se emplea una descripción continua para las ecuaciones de un campo, nunca es el límite de una descripción discreta de partículas. Así, los fenómenos vinculados a la transición de fase líquido/gas pueden intervenir en una descripción precisa de una teoría de los campos, particularmente en teoría cuántica de los campos. Es por eso que existe una mecánica estadística de los campos.

Fluctuaciones térmicas de densidad que imitan fluctuaciones cuánticas

El campo de las transiciones de fase en física clásica es muy rico. Existe en particular un fenómeno importante que es el de los fluidos críticos. Cuando un gas se transforma en líquido, en ciertas condiciones de temperatura y de presión, aparecen en general dos fases, líquida y gaseosa, transformándose una en la otra al mismo tiempo. Es entonces que unas burbujas de líquido y de gas aparecen y desaparecen como consecuencia de las fluctuaciones térmicas y crecen y desminuyen con arreglo a la dirección en la cual la transición de fase evoluciona. Al final, no habrá más que líquido o gas.

El físico teórico holandés Hendrik Casimir (1909-2000) que fue el primero en observar que cuando dos espejos se enfrentaban en el vacío, las fluctuaciones en el vacío ejercen "presión de radiación" sobre ellos. En media, la presión externa (flechas rojas) es mayor que la presión interna (flechas verdes). Ambos espejos se atraen mutuamente hacia el otro por la llamada Fuerza de Casimir. La fuerza F ~ A / d⁴, donde A es el área de los espejos y d es la distancia entre los mismos.

© Astrid Lambrecht

No obstante, existe para un fluido una temperatura y una presión que define lo que se llama el punto crítico, el tamaño de las fluctuaciones es entonces macroscópico. El fluido no es ni verdaderamente un gas ni verdaderamente un líquido y basta un pequeño cambio de presión, por ejemplo, para que directamente el fluido pase en bloque a una única de las fases.

Resulta que las fluctuaciones clásicas en este estado son análogas a las de un campo cuántico. En particular, debería ser posible realizar el análogo del efecto Casimir como Pierre-Gilles de Gennes y Michael Fisher lo predijeron con sistemas que posean el análogo del punto crítico con dos fases constituidas por dos líquidos.

Una mezcla de líquidos próxima al punto crítico.

Recordemos que el efecto Casimir se manifiesta por la aparición de una fuerza entre dos placas metálicas muy próximas. Ambas placas modifican la forma de las fluctuaciones cuánticas del vacío en el espacio que encuadran, cambian su densidad de energía que se vuelve localmente más débil. Lo que hace que la presión de la energía en el vacío cercano, más fuerte, va a empujar las placas una hacia la otra.

El dispositivo del equipo de Stuttgart, con una mezcla crítica en un recipiente de vidrio, y el rayo láser que cae sobre una pared tallada en prisma.

© Ingrid Schofron

Podemos realizar el análogo del efecto Casimir mezclando en un recipiente de vidrio agua y aceite, 2,6-lutidina para ser precisos. A 34 °C, la mezcla está próxima a su estado crítico donde verdaderamente no se puede distinguir desde el punto de vista físico a ambos líquidos. Añadimos luego pequeñas bolas de poliestireno de 3 micrómetros de diámetro, recubiertas con una sustancia que atrae el agua o el aceite, con una elección opuesta a la de las paredes del recipiente de vidrio.

Mientras que la medida de un efecto Casimir clásico se reveló muy delicado hasta ahora, enviando un rayo láser sobre las paredes del recipiente que contenían esta mezcla crítica, es posible medir la pequeña fuerza que atrae las bolas hacia la pared. Según la elección de las sustancias que recubrirá las bolas y las paredes, tendremos fuerzas de repulsión o de atracción causadas por el efecto Casimir clásico.

Esta técnica utilizada con el fin de obtener, por primera vez, una medida directa del efecto Casimir clásico está basado en lo que se llama microscopía por reflexión interna total. Midiendo la luz difundida por las pequeñas bolas a la vecindad de la pared del recipiente, podemos deducir de eso la distancia que las separan de ésta y su evolución en el tiempo. Las medidas obtenidas están en acuerdo con la teoría.

Los investigadores piensan que este efecto tendrá aplicaciones en nanotecnología donde habrá que tener en cuenta tanto el efecto Casimir clásico como el cuántico en la realización de nanomáquinas.

Enlace original: http://www.futura-sciences.com/

Fuente: astroseti.