Si un agujero de gusano pudiera existir, parecería como una abertura esférica hacia una parte distante del cosmos. En esta fotografía retocada de Times Square, el agujero de gusano permite a los neoyorquinos el traslado a pie hasta el Sahara con un solo paso, en lugar de pasar horas en el avión hacia Tamanrasset. Aunque tal agujero de gusano no rompe todas las leyes conocidas de la física, requeriría la producción de cantidades poco realistas de energía negativa.
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¿Puede una región del espacio contener menos que nada?
El sentido común diría que no, lo más que podría hacer es quitar toda materia y radiación y quedará un vacío. Pero la física cuántica ha demostrado su capacidad para confundir la intuición, y este caso no es una excepción. Una región del espacio, resulta, puede contener menos que nada. Su energía por unidad de volumen - la densidad de energía - puede ser menor que cero.
No es necesario decir que las implicaciones son extrañas. Según la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, la presencia de la materia y la energía deforma la tela geométrica del espacio y del tiempo. Lo que percibimos como gravedad es la distorsión del espacio-tiempo producido por la energía normal, energía positiva o masa.
Pero cuando la energía negativa o masa llamada materia exótica curva el espacio-tiempo, todo tipo de fenómenos asombrosos podrían llegar a ser posible: agujeros de gusano transitables, que podrían actuar como túneles hacia, de otra forma, partes distantes del universo, la velocidad deformada, que permitiría viajar más rápido que la luz, y las máquinas del tiempo, podrían permitir los viajes al pasado.
La energía negativa podría incluso ser utilizada para fabricar máquinas de movimiento perpetuo o destruir los agujeros negros. Un episodio de Star Trek no podría pedir más.
Para los físicos, estas ramificaciones hacen sonar las alarmas. Los potenciales paradojas del viaje hacia atrás en el tiempo, tales como matar al abuelo antes de que su padre sea concebido – han sido exploradas por la ciencia ficción desde hace mucho tiempo, y las demás consecuencias de materia exótica también son problemáticas.
Plantean una pregunta de importancia fundamental: Las leyes de la física que permiten la energía negativa, ¿colocan algún límite en su comportamiento?
Nosotros y otros hemos descubierto que la naturaleza impone estrictas restricciones sobre la magnitud y la duración de la energía negativa, que (desafortunadamente, dirían algunos) parece representar la construcción de agujeros de gusano y unidades de deformación como muy poco probables.
Doble Negativo
No debe ser confundida con antimateria, la cual tiene energía positiva. Cuando un electrón y su antipartícula, un positrón, chocan, se aniquilan. Los productos finales son los rayos gamma, los cuales acarrean energía positiva. Si las antipartículas estuvieran compuestas de energía negativa, tal interacción se traduciría en una energía final de cero.
Tampoco se debe confundir la energía negativa con la energía asociada con la constante cosmológica, postulada en los modelos inflacionarios del universo [ver “Antigravedad Cosmológica - Cosmological Antigravity”, por Lawrence M. Krauss, periódico SCIENTIFIC AMERICAN, enero de 1999]. Esta constante representa una presión negativa, aunque energía positiva (Algunos autores llaman a esto materia exótica, nos reservamos el término para las densidades de energía negativa.)
El concepto de la energía negativa no es pura fantasía, algunos de sus efectos incluso han sido producidos en el laboratorio.
Surgen del principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que la densidad de energía de cualquier campo eléctrico, magnético u otro fluctúa de forma aleatoria. Aun cuando la densidad de la energía sea igual a cero, en promedio, está en un vacío, fluctúa.
Por lo tanto, el vacío cuántico no puede permanecer vacío en el sentido clásico del término, es un mar turbio de partículas "virtuales" entrando y saliendo de la existencia de forma espontánea de forma espontánea [véase "La explotación de la energía de Punto Cero", por Philip Yam; SCIENTIFIC AMERICAN , diciembre de 1997]. En la teoría cuántica, la noción usual de energía cero corresponde al vacío con todas estas fluctuaciones.
Así que si uno puede idear alguna manera de disminuir las ondulaciones, el vacío tendrá menos energía que lo normal, es decir, energía de menos de cero.
Las ondas de luz normalmente tienen una densidad de energía positiva o cero en diferentes puntos del espacio (arriba). Pero en un estado llamado exprimido, la densidad de la energía en un instante determinado en el tiempo, puede llegar a ser negativa en algunos lugares (abajo). Para compensar, el pico de densidad positiva debe aumentar.
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A modo de ejemplo, los investigadores en óptica cuántica han creado estados especiales de campos en los que la interferencia cuántica destructiva suprime las fluctuaciones del vacío.
Los llamados estados apretados de vacío implican energía negativa. Más precisamente, los que están asociados con las regiones de energía positiva y negativa alternándose.
La energía total promedio en todo el espacio sigue siendo positiva. Apretando el vacío se crea energía negativa en un solo lugar al precio de energía positiva adicional en otra parte. Un experimento típico consiste en rayos láser pasando a través de materiales ópticos no lineales [ver "Squeezed Light", de E. Richart Slusher y Bernard Yurke, SCIENTIFIC AMERICAN, mayo de 1988]. La intensa luz láser induce al material a crear pares de cuantos de luz, los fotones. Estos fotones alternativamente mejoran y eliminan las fluctuaciones del vacío, conduciendo respectivamente a regiones de energía positivas y negativas.
Otro método para producir energía negativa introduce límites geométricos en un espacio. En 1948, el físico holandés Hendrik B.G. Casimir demostró que dos placas paralelas de metal sin carga alteran las fluctuaciones del vacío, de tal forma que se atraen entre sí. La densidad de energía entre las placas fue más tarde calculada ser negativa.
En efecto, las placas reducen las fluctuaciones en la brecha entre ellas, lo cual crea energía negativa y presión, que empuja las placas entre sí. Cuanto más estrecho el espacio, más negativa es la energía y la presión, y más fuerte es la fuerza de atracción.
El Efecto Casimir recientemente ha sido medido por Steve K. Lamoreaux de Los Alamos National Laboratory y por Umar Mohideen de la Universidad de California en Riverside y su colega Anushree Roy. Del mismo modo, en la década de 1970 Paul C.W. Davies y Stephen A. Fulling, luego en el King's College de la Universidad de Londres, predijo que un límite en movimiento, como un espejo en movimiento, podría producir un flujo de energía negativa.
Tanto para el efecto Casimir y como para los exprimidos estados, los investigadores han medido sólo los efectos indirectos de la energía negativa.
La detección directa es más difícil, pero podría ser posible utilizando giros atómicos, como lo sugirieron Peter G. Grove, en ese entonces en el Ministerio del Interior Británico, y luego Adrian C. Ottewill, de la Universidad de Oxford, y uno de nosotros (Ford) en 1992.
Gravedad y Liviandad
El concepto de energía negativa surge en varias áreas de la física moderna. Tiene una relación íntima con los agujeros negros, aquellos objetos misteriosos cuyo campo gravitacional es tan fuerte que nada puede escapar de dentro de su límite, el suceso horizonte.
En 1974 Stephen W. Hawking de la Universidad de Cambridge, realizó su famosa predicción de que los agujeros negros se evaporan por la radiación que emiten [véase "La Mecánica Cuántica de los Agujeros Negros", de Stephen W. Hawking, SCIENTIFIC AMERICAN, enero de 1977].
Un agujero negro irradia energía a un ritmo inversamente proporcional al cuadrado de su masa. Aunque la tasa de evaporación es grande sólo paoa el tamaño de los agujeros negros subatómicos, proporciona un vínculo crucial entre las leyes de los agujeros negro y las leyes de la termodinámica. La radiación de Hawking permite a los agujeros negros entrar en equilibrio térmico con su entorno.
A primera vista, la evaporación conduce a una contradicción. El horizonte es una calle de sentido único, la energía sólo puede fluir hacia el interior. Entonces, ¿cómo puede la energía de un agujero negro irradiar hacia el exterior?
Puesto que la energía debe ser conservada, la producción de energía positiva - que los observadores distantes ven como la radiación de Hawking - es acompañada por un flujo de energía negativa dentro del agujero. Aquí la energía negativa es producida por la curvatura extrema del espacio-tiempo cerca del agujero, que perturba las fluctuaciones del vacío. De esta manera, la energía negativa es necesaria para la consistencia de la unificación de la física de los agujeros negros con la termodinámica.
El agujero negro no es la única región curvada del espacio-tiempo donde la energía negativa parece jugar un papel.
Otra es el agujero de gusano - un tipo hipotético de túnel que conecta una región del espacio-tiempo a otra. Los físicos pensaban que los agujeros de gusano existían sólo en las escalas de longitud más finas, burbujeando dentro y fuera de la existencia como partículas virtuales [ver "Quantum Gravity, por Bryce S. DeWitt, SCIENTIFIC AMERICAN, diciembre de 1983].
A principios de la década de 1960 los físicos Robert Fuller y John A. Wheeler demostraron que los grandes agujeros de gusano se derrumbarían tan rápidamente bajo su propia gravedad que ni siquiera un rayo de luz tendría el tiempo suficiente para viajar a través de ellos.
Pero a finales de 1980 varios investigadores - sobre todo Michael S. Morris y Kip S. Thorne, del Instituto de Tecnología de California y Matt Visser de la Universidad de Washington – encontraron otra cosa. Algunos agujeros de gusano podrían de hecho hacerse lo suficientemente grandes para una persona o una nave espacial.
Alguien podría entrar en la boca de un agujero de gusano estacionado en la Tierra, caminar una corta distancia dentro del agujero de gusano y salir por la otra boca, por ejemplo, digamos, en la galaxia de Andrómeda. El problema es que los agujeros de gusano transitables requieren energía negativa. Debido a que la energía negativa es gravitacionalmente repulsiva, evitaría que el agujero de gusano se colapse.
Para que un agujero de gusano sea desplazable, que debería (como mínimo) permitir que las señales, en forma de rayos de luz, pasen a través de él. Los rayos de luz entrando en una boca de un agujero de gusano son convergentes, pero para salir por la otra boca, deben desenfocarse - en otras palabras, deben, en algún punto intermedio, ir de la convergencia a la divergencia [ver ilustración más abajo].
Este desenfoque requiere energía negativa.
Considerando que la curvatura del espacio producida por el campo gravitacional atractivo de materia ordinaria actúa como un lente convergente, la energía negativa actúa como un lente divergente.
Las ondas de luz normalmente tienen una densidad de energía positiva o cero en diferentes puntos del espacio (arriba).
Pero en un estado llamado exprimido, la densidad de la energía, en un instante determinado en el tiempo, puede llegar a ser negativa en algunos lugares (abajo).
Para compensar esto, el pico de densidad positiva debe aumentar.
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No se necesita Dilithium
Tales contorsiones del espacio-tiempo habilitaría otro elemento básico de la ciencia ficción, también el viaje a velocidades más rápidas que la luz.
En 1994 Miguel Alcubierre Moya, en ese entonces de la Universidad de Gales en Cardiff, descubrió una solución a las ecuaciones de Einstein que tienen muchas de las características deseadas de deformaciones de velocidad. En él describe una burbuja de espacio-tiempo que transporta una nave espacial a velocidades arbitrariamente altas con relación a los observadores de fuera de la burbuja. Los cálculos muestran que la energía negativa es necesaria.
Una unidad de deformación de espacio-tiempo pudiera parecer violar la teoría especial de la relatividad de Einstein.
Pero la relatividad especial dice que no se puede correr más rápido que una señal luminosa en una carrera en la que usted y la señal siguen el mismo camino. Cuando el espacio-tiempo está deformado, podría ser posible vencer una señal de luz tomando una ruta diferente, un acceso directo.
La contracción del espacio-tiempo delante de la burbuja y la expansión detrás de ella crean un acceso directo [ver ilustración].
La burbuja de espacio-tiempo es la forma más cercana que la física moderna llega a la "deformación del espacio-tiempo (velocidad)” de la ciencia ficción. Puede transportar una nave espacial a velocidades arbitrariamente altas. El espacio-tiempo se contrae en la parte delantera de la burbuja, reduciendo la distancia hasta el destino, y se expande en su parte posterior, incrementando la distancia desde el origen (flechas). La nave misma se detiene en relación con el espacio que la rodea; los miembros de la tripulación no experimentan ninguna aceleración. La energía negativa (azul) es necesaria en los lados de la burbuja.
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Un problema con el modelo original de Alcubierre, señalado por Sergei V. Krasnikov del Observatorio Astronómico de Pulkovo Central cerca de San Petersburgo, es que el interior de la burbuja de deformación de espacio-tiempo (warp) es causalmente desconectada de su borde delantero.
En el interior, un capitán de la nave no podrá dirigir la burbuja o encenderla o apagarla, algún agente externo debe configurarla adelante en el tiempo. Para solucionar este problema, Krasnikov propuso un "tubo superlumínico," un tubo de espacio tiempo-espacio modificado (no siendo igual o lo mismo que un agujero de gusano), conectando a Tierra con una estrella distante.
Dentro del tubo, el viaje superluminal en una sola dirección es posible. Durante el viaje de ida a velocidad de subluz, una tripulación espacial crearía tal tubo. En el viaje de regreso, ellos podrían viajar a través de él a la velocidad de deformación de espacio-tiempo (wrap). Al igual que las burbujas de deformación, el tubo involucra energía negativa.
Ha sido demostrado por Ken D. Olum de la Universidad de Tufts, y por Visser, junto con Bruce Bassett de Oxford y Stefano Liberati de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste, que cualquier esquema de viaje más rápido que la luz requiere el uso de energía negativa.
Si uno pudiera construir agujeros de gusano o unidades de deformación del espacio-tiempo, el viaje en el tiempo podría llegar a ser posible. El pasaje del tiempo es relativo, depende de la velocidad del observador. Una persona que abandona la Tierra en una nave espacial, viaja a velocidad cercana a la de la luz y regresa, habrá envejecido menos que alguien que permaneció en la Tierra.
Si el viajero logra escapar de un rayo de luz, tal vez tomando un atajo a través de un agujero de gusano o una burbuja de deformación de espacio-tiempo (wrap), pudiera regresar antes de haberse ido. Morris, Thorne y Ulvi Yurtsever, en ese entonces, en Caltech, propusieron una máquina del tiempo de agujero de gusano en 1988, y su trabajo ha estimulado mucha investigación, sobre el viaje en el tiempo en la última década.
En 1992, Hawking demostró que cualquier construcción de una máquina del tiempo en una región finita del espacio-tiempo de por sí requiere de energía negativa.
Vista desde el puente de una nave espacial más rápida que la luz al dirigirse en la dirección de la Osa Menor (arriba) no pareciéndose en nada a la alineación de estrellas normalmente representadas en la ciencia ficción.
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La energía negativa es tan extraña que uno podría pensar que debe violar alguna ley de la física.
Antes y después de la creación de las mismas cantidades de energía negativa y positiva en el espacio antes vacío, la energía total es cero, por lo que la ley de conservación de la energía es obedecida. Pero hay muchos fenómenos que conservan la energía que todavía nunca ocurren en el mundo real. Un vidrio roto no puede volverse a reensamblar, y el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente. Estos efectos están prohibidos por la segunda ley de la termodinámica.
Este principio general afirma que el grado de desorden de un sistema - su entropía - no puede por sí solo disminuir sin gasto de energía. Por lo tanto, un refrigerador, que bombea calor desde su interior frío hacia la sala exterior más caliente, requiere de una fuente de alimentación externa. Del mismo modo, la segunda ley también prohíbe que funciona la conversión completa del calor.
La energía negativa potencialmente entra en conflicto con la segunda ley. Imagine un láser exótico, que crea una luz fija de salida de energía negativa. La conservación de la energía requiere que un subproducto sea un flujo constante de energía positiva. Se podría dirigir el haz de energía negativa hacia algún lejano rincón del universo, mientras se emplea la energía positiva para llevar a cabo un trabajo útil.
Esta fuente inagotable de energía puede ser utilizada para hacer una máquina de movimiento perpetuo, y por lo tanto viola la segunda ley.
Si el haz fuera dirigido a un vaso de agua, se podría enfriar el agua mientras se usa la energía positiva extraída para alimentar un pequeño motor - proporcionando un refrigerador sin necesidad de alimentación externa. Estos problemas surgen, no de la existencia de energía negativa en sí, sino de la separación sin restricciones de energías negativa y positiva.
La energía negativa sin restricciones también tendría profundas consecuencias para los agujeros negros.
Cuando se forma un agujero negro por el colapso de una estrella moribunda, la relatividad general predice la formación de una singularidad, una región donde el campo gravitatorio se hace infinitamente fuerte. En este punto, la relatividad general - y de hecho todas las leyes conocidas de la física - son incapaces de decir qué sucede después.
Esta incapacidad es un profundo fracaso de la descripción matemática actual de la naturaleza. En tanto que la singularidad esté oculta dentro de un suceso horizonte, sin embargo, el daño es limitado. La descripción de la naturaleza en todas partes fuera del evento horizonte no se ve afectada.
Por esta razón, Roger Penrose de Oxford propuso la hipótesis de la censura cósmica:
no puede haber singularidades desnudas, que no estén protegidas por horizonte de sucesos.
Para tipos especiales de agujeros negros cargados o rotatorios, conocidos como agujeros negros extremo, incluso un pequeño aumento en la carga o giro, o una disminución de la masa, en principio, podrían destruir el horizonte y convertir el agujero en una singularidad desnuda.
Los intentos de cargar o girar estos agujeros negros utilizando materia ordinaria parecen fallar por diversas razones.
Uno podría imaginarse, en su lugar, producir una disminución de la masa por un rayo de energía negativa en el agujero, sin alterar su carga o giro, y por lo tanto, subvirtiendo la censura cósmica. Uno podría crear tal haz, por ejemplo, usando un espejo en movimiento. En principio, sería necesaria sólo una pequeña cantidad de energía negativa para producir un cambio dramático en el estado de un agujero negro extremo.
Por lo tanto, este podría ser el escenario en el que la energía negativa tenga la mayor probabilidad de producir efectos macroscópicos.
PARTE 1 - PARTE 2
-GalzúMC
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