El vacío suele representarse como un espacio silencioso, donde nada ocurre y nada existe. Sin embargo, la física cuántica nos dice lo contrario: incluso en ausencia total de partículas, el vacío es un escenario vibrante, lleno de fluctuaciones que pueden dar lugar a fenómenos sorprendentes, incluso generar luz. Uno de los más intrigantes es el llamado efecto Schwinger, propuesto en 1951, que sugiere que un campo eléctrico extremadamente intenso podría dar lugar a la creación espontánea de pares de partículas y antipartículas. Hasta hoy, ese efecto seguía siendo teórico, pues los campos necesarios son inalcanzables para la tecnología actual.
Un grupo de físicos de la Universidad de British Columbia (UBC) ha presentado un modelo que permite estudiar un fenómeno análogo de manera más accesible. En lugar de un vacío inalcanzable, utilizaron una delgadísima película de helio superfluido, un estado de la materia que fluye sin fricción. En ese entorno, describen cómo surgen espontáneamente pares de vórtices y antivórtices, equivalentes a las partículas y antipartículas en el vacío cuántico. Sus resultados, publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), abren una vía inédita para explorar procesos fundamentales de la naturaleza desde un laboratorio.
El enigma del vacío cuántico
La intuición dice que el vacío debería estar vacío, pero en la física cuántica ocurre lo contrario: los vacíos están repletos de campos fluctuantes capaces de originar partículas virtuales que aparecen y desaparecen en lapsos ínfimos. Esta visión, aunque extraña, es esencial para explicar fenómenos que van desde la radiación de los agujeros negros hasta los orígenes del universo.
En 1951, el físico Julian Schwinger propuso que un campo eléctrico muy fuerte podría estabilizar esas fluctuaciones y transformar las partículas virtuales en reales. El resultado sería la creación de un par electrón-positrón desde la nada, un proceso conocido como efecto Schwinger. La dificultad es que los campos necesarios son tan descomunales que ningún experimento en la Tierra ha logrado acercarse a esas condiciones. De ahí que los físicos busquen análogos experimentales que permitan reproducir aspectos del fenómeno en sistemas más manejables.
Un laboratorio en una película de helio
El equipo de la UBC recurrió a un recurso muy especial: el helio-4 superfluido. Cuando este isótopo del helio se enfría hasta temperaturas extremas, entra en un estado en el que pierde toda viscosidad y se comporta como un fluido perfecto. “El superfluido Helio-4 es una maravilla. Con unas pocas capas atómicas de espesor, se puede enfriar muy fácilmente a una temperatura en la que está básicamente en un estado de vacío sin fricción”, explicó el físico Philip Stamp, uno de los autores del trabajo.
En este contexto, lo que en el vacío serían electrones y positrones se convierte en vórtices y antivórtices que surgen de manera espontánea en el flujo del helio. Estos vórtices giran en direcciones opuestas, reflejando el mismo principio de simetría que en la creación de partículas y antipartículas. Según los investigadores, este modelo permite observar un fenómeno cuántico hasta ahora imposible de reproducir directamente, trasladándolo a un sistema físico concreto.
Por otra parte, el modelo teórico no se queda en la especulación. Stamp y su colega Michael Desrochers detallaron un esquema matemático completo para llevar a cabo un experimento real en el futuro, lo que abre la posibilidad de comprobar en laboratorio la dinámica de estas creaciones espontáneas.
Nuevas leyes para los superfluidos
El valor del hallazgo no reside solo en ser un sustituto del efecto Schwinger. Para los investigadores, la mayor relevancia está en comprender mejor los propios superfluidos y su dinámica. Stamp subraya que “estas son sistemas físicos reales en sí mismos, no análogos. Y podemos hacer experimentos con ellos”. Esto implica que la investigación no se limita a recrear un fenómeno abstracto, sino que también ofrece avances tangibles sobre las propiedades de los fluidos cuánticos en dos dimensiones.
Una de las claves del estudio fue descubrir que la masa de los vórtices no es constante, como se asumía en modelos anteriores. Al contrario, varía de manera significativa según se desplazan en la película de helio. Este hallazgo modifica de raíz la forma en que se entienden los vórtices en fluidos cuánticos y tiene implicaciones para teorías cosmológicas sobre los primeros instantes del universo. Michael Desrochers, coautor del estudio, lo resumió así: “Es emocionante entender cómo y por qué varía la masa, y cómo esto afecta nuestra comprensión de los procesos de túnel cuántico, que son ubicuos en la física, la química y la biología”.
Este cambio de perspectiva, conocido como “venganza del análogo”, incluso podría aplicarse al propio efecto Schwinger. Según Stamp, la variación de masa observada en los vórtices también podría darse en los pares electrón-positrón que surgen del vacío, lo que obligaría a modificar la teoría original de Schwinger.
Ecos cósmicos en un laboratorio
La investigación también destaca por su capacidad de tender puentes entre experimentos accesibles y fenómenos cósmicos. Stamp afirma que el helio superfluido ofrece un análogo interesante para procesos que van desde el vacío en el espacio profundo hasta los agujeros negros y el origen mismo del universo. Aunque ningún experimento puede replicar esas condiciones extremas directamente, contar con un modelo tangible permite probar hipótesis y refinar teorías en torno a fenómenos tan lejanos como el Big Bang.
El uso de películas de helio en dos dimensiones también ilumina la física de las transiciones de fase cuánticas, un campo donde los sistemas bidimensionales muestran propiedades únicas. Entender cómo surgen y evolucionan los vórtices ayuda a conectar la física de laboratorio con escenarios de alta energía, pero también con fenómenos más cotidianos, como los materiales superconductores.
El trabajo también ilustra cómo la teoría y la matemática pueden ser herramientas tan poderosas como los experimentos. Los autores destacan que fue necesario introducir varias innovaciones matemáticas para poder describir de manera rigurosa el comportamiento de los vórtices y sus masas variables. Ese avance conceptual es en sí mismo un paso fundamental que tendrá aplicaciones en múltiples áreas de la ciencia.
Del laboratorio hacia el futuro
El estudio abre nuevas preguntas sobre la relación entre análogos físicos y fenómenos fundamentales. Si bien el helio superfluido no es el vacío del espacio, su capacidad para reproducir dinámicas cuánticas lo convierte en un terreno fértil para futuras investigaciones. Los científicos esperan que este modelo inspire experimentos directos que permitan observar la creación espontánea de vórtices, lo que sería una validación concreta de la teoría.
Más allá de su valor en cosmología y física fundamental, comprender los procesos de túnel cuántico en sistemas accesibles podría tener repercusiones en campos como la nanotecnología, la información cuántica o el diseño de nuevos materiales. La lección que deja este trabajo es clara: para entender lo más lejano y abstracto, a veces conviene mirar de cerca los sistemas más simples y accesibles.
Referencias
- Michael Desrochers, Philip C. E. Stamp. Vacuum Tunneling of Vortices in 2-Dimensional 4He Superfluid Films. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1-Sep-2025. doi: 10.1073/pnas.1234567.
Cortesía de Muy Interesante
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