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La naturaleza exacta de los agujeros negros ha sido cuestionada desde que la teoría general de la relatividad de Albert Einstein dio lugar a la posibilidad de su existencia. Uno de los hallazgos más famosos fue la predicción del físico inglés Stephen Hawking de que algunas partículas se emiten realmente en el borde de un agujero negro.
Los físicos también han explorado el funcionamiento de los vacíos. A principios de la década de 1970, mientras Hawking describía cómo la luz puede escapar de la atracción gravitatoria de un agujero negro, el físico canadiense William Unruh propuso que un fotodetector acelerado lo suficientemente rápido podría "ver" la luz en el vacío.
Una nueva investigación de Dartmouth avanza en estas teorías al detallar una forma de producir y detectar luz que antes se creía inobservable.
"En un sentido cotidiano, los hallazgos parecen sugerir sorprendentemente la capacidad de producir luz a partir del vacío", afirma Miles Blencowe, profesor distinguido de Física Eleanor y A. Kelvin Smith e investigador principal del estudio. "En esencia, hemos producido algo a partir de la nada; la idea de eso es simplemente genial".
En la física clásica, el vacío se considera la ausencia de materia, luz y energía. En la física cuántica, el vacío no está tan vacío, sino que está lleno de fotones que entran y salen de la existencia. Sin embargo, esa luz es prácticamente imposible de medir.
Dado que la ciencia ya ha demostrado que la observación de la luz en el vacío es posible, el equipo se propuso encontrar una forma viable de detectar los fotones.
La teoría, publicada en Communications Physics, predice que las imperfecciones a base de nitrógeno en una membrana de diamante que se acelera rápidamente pueden realizar la detección.
En el experimento propuesto, un diamante sintético del tamaño de un sello postal que contiene los detectores de luz basados en nitrógeno se suspende en una caja metálica superenfriada que crea un vacío. La membrana, que actúa como un trampolín atado, se acelera a gran velocidad.
"El movimiento del diamante produce fotones", dice Hui Wang, Guarini '21, un investigador postdoctoral que escribió el artículo teórico como estudiante de posgrado. "En esencia, todo lo que hay que hacer es agitar algo con la suficiente violencia para producir fotones entrelazados".
El estudio, que contó con el apoyo de la National Science Foundation, es el primero que explora el uso de múltiples detectores de fotones -los defectos del diamante- para amplificar la aceleración y aumentar la sensibilidad de la detección. La oscilación del diamante también permite que el experimento se lleve a cabo en un espacio controlable con intensas tasas de aceleración.
"Los fotones detectados por el diamante se producen por pares", explica Hui. "Esta producción de fotones emparejados y entrelazados es una prueba de que los fotones se producen en el vacío y no de otra fuente".
La luz detectada existe en la frecuencia de las microondas, por lo que no es visible para el ojo humano, pero Blencowe y Wang esperan que el trabajo contribuya a la comprensión de las fuerzas físicas que contribuyen a la sociedad del mismo modo que otras investigaciones teóricas. En particular, el trabajo puede ayudar a arrojar luz experimental sobre la predicción de Hawking sobre los agujeros negros radiantes a través de la lente de la investigación de Einstein.
"Parte de la responsabilidad y la alegría de ser teóricos como nosotros es exponer ideas", dice Blencowe. "Estamos tratando de demostrar que es factible hacer este experimento, para probar algo que hasta ahora ha sido extraordinariamente difícil".
Fuentes, créditos y referencias:
Hui Wang et al, Coherently amplifying photon production from vacuum with a dense cloud of accelerating photodetectors, Communications Physics (2021). DOI: 10.1038/s42005-021-00622-3