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El vacío proporciona un terreno sólido para la nueva definición del kilogramo
De todas las unidades estándar actualmente en uso en todo el mundo, el kilogramo – la unidad oficial de la masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI) – es el único que todavía se basa en un objeto físico para su definición. Sin embargo, la revisión de esta definición obsoleta requerirá mediciones precisas que los investigadores aún no son capaces de hacer, dijo Patrick Abbott, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg (EE.UU.), Md. Abbott presentará una visión general de los esfuerzos actuales en la tecnología del vacío para redefinir el kilogramo en el 60º AVS International Symposium and Exhibition, que se celebró del 27 de octubre al uno de noviembre de 2013, en Long Beach, California.
Abbott también describirá el desarrollo de su equipo del NIST de un nuevo sistema para permitir una comparación directa de un objeto que está siendo intervenido en el vacío a uno fuera de un vacío. «El nuestro es el único proyecto de su tipo en el mundo», dijo Abbott , «y creemos que será fundamental en la difusión precisa del kilogramo redefinido.»
El kilogramo oficial, llamado el Kilogramo Prototipo Internacional (IPK), se almacena en una oficina en las afueras de París, Francia, y ha servido como el estándar al que kilogramos prototipos de todas las naciones se han comparado en los últimos 125 años. Cada pocas décadas, los prototipos nacionales se realizan, por lo general a mano, a Francia, donde se miden contra el IPK. Sin embargo, las discrepancias entre los prototipos nacionales y el modelo oficial han estado aumentando a un ritmo de 0.050 miligramos (mg) cada 100 años. Y nadie sabe por qué.
«En realidad no es claro si el IPK es cada vez más ligero o los prototipos nacionales son cada vez más pesados», dijo Abbott. La pérdida de masa debida al desgaste es poco probable debido a que el IPK casi nunca se saca de su urna. Para hacer frente a estas discrepancias, una asamblea internacional de metrología – los investigadores que estudian la ciencia de la medición – decidió en 2007 dejar de depender del prototipo y redefinir el kilogramo utilizando algo más fiable: una constante de la naturaleza.
Los metrólogos finalmente eligieron la constante de Planck, que describe la relación entre la energía de un fotón y la frecuencia de la luz que emite. Su valor se ha medido con una incertidumbre relativa de entre 30×10^?9 y 35×10^-9. Sin embargo, para asegurar el acuerdo entre el sistema actual y el kilogramo definido en base a la constante de Planck, los investigadores tendrán que mejorar sus mediciones a una incertidumbre relativa de 20×10^-9.Y para obtener mejores mediciones, tendrán la capacidad de realizar la metrología «estado del arte» en el vacío.
Actualmente, los investigadores utilizan dos tipos de experimento para medir la constante de Planck, y ambos requieren vacío. Un método implica la determinación del número de átomos en una esfera de silicio de alta pureza con una masa nominal de un kilogramo. La otra, llamada la balanza watt, mide la constante de una comparación indirecta o «virtual» de energía mecánica a la energía electromagnética. El uso de vacío asegura que no hay contaminación de partículas en el aire y reduce la incertidumbre en algunas de las mediciones que se llevan a cabo con la interferometría láser.
Los investigadores que utilizan el experimento balanza watt en los institutos nacionales de medición alrededor del mundo están trabajando para encontrar los materiales más adecuados para la medición de la constante de Planck con este método. También se está trabajando para encontrar un nivel de vacío que sea lo suficientemente bueno para obtener resultados sin ser demasiado difícil de construir y mantener. Hasta ahora, los investigadores están en condiciones de tener una nueva definición del kilogramo en 2018, dijo Abbott.
Mientras que muchos equipos de todo el mundo trabajan para mejorar las mediciones de la constante de Planck, el grupo de Abbott está mirando más allá de la redefinición y hacia la realización práctica de estas mediciones.
«Cada vez que se produce la redefinición, se requerirá un método robusto para difundir el kilogramo realizado en el vacío a un mundo que funciona en el aire», dijo Abbott. Su grupo trabaja en la creación de un sistema para cerrar la interfaz de vacío /aire usando una técnica de suspensión magnética. La puesta en marcha permitirá una comparación directa entre la masa de un kilogramo estándar en el vacío y la masa de una muestra en la atmósfera de una habitación normal.
Esto se basa en los materiales proporcionados por Instituto Americano de Física , a través de Newswise.
Lograr algo a partir de la nada, partículas virtuales
Efecto Casimir
Artículo publicado por Charles Q. Choi el 12 de febrero de 2013 en Scientific American
Las “partículas virtuales” pueden convertirse en fotones reales – bajo las condiciones adecuadas.
El vacío podría parecer espacio sin nada, pero los científicos han descubierto una nueva forma de, aparentemente, lograr algo, como la luz, a partir de la nada. Y el hallazgo podría, finalmente, ayudar a los científicos a construir computadores cuánticos increíblemente potentes, o arrojar luz sobre los primeros momentos de la historia del universo.
La física cuántica explica que existen límites a la precisión con la que se pueden conocer las propiedades de las unidades más básicas de la materia – por ejemplo, no se puede conocer, simultáneamente, con certeza la posición de una partícula y su momento. Una extraña consecuencia de esta incertidumbre es que el vacío nunca está completamente vacío, sino que bulle con lo que se conoce como “partículas virtuales”, que aparecen y desaparecen constantemente.
Estas partículas virtuales aparecen a menudo en parejas que, casi instantáneamente, se aniquilan entre sí. Aun así, antes de desvanecerse, pueden tener efectos muy reales sobre sus alrededores. Por ejemplo, los fotones – paquetes de luz – pueden aparecer y desaparecer en un vacío. Cuando se colocan dos espejos uno frente a otro en un vacío, hay más fotones virtuales fuera de los espejos que entre ellos, lo que genera una aparentemente misteriosa fuerza que empuja los espejos uno contra el otro.
Este fenómeno, predicho en 1948 por el físico holandés Hendrick Casimir, y conocido como efecto Casimir, se observó por primera vez con espejos fijos. Los investigadores también predijeron un efecto Casimir dinámico, que aparece cuando se mueven los espejos, o los objetos sufren cambios, Ahora, el físico Pasi Lähteenmäki y sus colegas, de la Universidad de Aalto en Finlandia, revelan que, al variar la velocidad a la que puede viajar la luz, pueden hacer que aparezca luz en la nada.
La velocidad de la luz en el vacío es una constante, de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, pero su velocidad cuando atraviesa un material depende de una propiedad del mismo, conocida como índice de refracción. Variando el índice de refracción del material, los investigadores pueden influir en la velocidad a la que viajan dentro del mismo tanto fotones reales como virtuales. Lähteenmäki dice que puede verse este sistema como un espejo, y si su grosor cambia lo bastante rápidamente, los fotones virtuales que se reflejan puede recibir suficiente energía del rebote como para transformarse en fotones reales. “Imagina que te encuentras en una sala muy oscura y, de pronto, el índice de refracción [de la sala] cambia”, explica Lähteenmäki. “La sala empezaría a brillar”.
Los investigadores empezaron con un conjunto de 250 dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o SQUIDs—circuitos que tienen una sensibilidad extraordinaria a los campos magnéticos. Colocaron el conjunto dentro de un refrigerador. Aplicando cuidadosamente campos magnéticos a este conjunto, pudieron variar la velocidad a la que viajaban los fotones de microondas a través del mismo en unos puntos porcentuales. Los investigadores enfriaron luego este conjunto hasta 50 milésimas de grado Celsius por encima del cero absoluto. Debido a que este entorno es superfrío, no debería emitir radiación, comportándose, básicamente, como un vacío. “Simplemente estudiamos estos circuitos con el propósito de desarrollar un amplificador, algo que logramos”, dice el investigador Sorin Paraoanu, físico teórico en la Universidad de Aalto. “Pero entonces nos preguntamos, ¿qué pasa si no hay señal a amplificar? ¿Qué pasa si el vacío es la señal?”.
Los investigadores detectaron fotones que encajaban con las predicciones de un efecto Casimir dinámico. Por ejemplo, tales fotones deberían mostrar la extraña propiedad del entrelazamiento cuántico — es decir, que al medir las propiedades de uno, los científicos podrían, en principio, conocer exactamente cómo es su homólogo, sin importar en qué punto del universo esté, un fenómeno al que Einstein se refería como “acción fantasmal a distancia”. Los científicos detallan sus hallazgos en la edición en línea del 11 de febrero de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Esta investigación podría ayudar a los científicos a aprender más sobre los misterios del entrelazamiento cuántico, que es clave para los computadores cuánticos – máquinas avanzadas que podrían, en principio, realizar más cálculos en un instante que átomos hay en el universo. Los fotones de microondas entrelazados generados por en conjunto experimental “pueden usarse para una forma de computación conocida como procesado de información cuántica de ‘variable continua’”.
Fuente: Ciencia Kanija
Luz obtenida del vacío soporta la mecánica cuántica
El principio de la mecánica cuántica que dice que en el vacío no está vacío el espacio, sino lleno de partículas que fluctúan dentro y fuera de su existencia, se ha observado por primera vez en forma de fotones que se alentaban a salir de este estado virtual y ser capturados como la luz medible .
El principio, de 40 años de edad, conocido como el efecto Casimir dinámico (DCE), afirma que si se permite que los fotones virtuales reboten en un espejo que se mueva a velocidades cercanas a la luz, se convierten en fotones reales. Científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers han logrado este efecto – con algunas modificaciones en el método. En lugar de variar la distancia física a un espejo, los científicos alteraron la distancia eléctrica a un circuito eléctrico que actúa como un espejo para microondas.
El «espejo» consiste en un componente de electrónica cuántica llamado SQUID (dispositivo superconductor de interferencia cuántica), que es extremadamente sensible a los campos magnéticos. Al cambiar la dirección del campo magnético varios billones de veces por segundo, los científicos hicieron al espejo vibrar a una velocidad de hasta el 25 por ciento de la velocidad de la luz. Mediante la transferencia de parte de su energía cinética a los fotones virtuales, el espejo les ayuda a materializarse.
Esto dio lugar a fotones que aparecen como pares dentro del vacío, y los pares se midieron en forma de radiación de microondas. Los científicos fueron capaces de establecer que la radiación tenía las mismas propiedades que predice la teoría cuántica para los fotones que se presentan en pares de esta manera. Los fotones aparecieron debido a que como carecen de masa requieren muy poca energía para ser excitados de su estado virtual. Esta observación también podría, en principio, crear otras partículas del vacío, incluyendo protones y electrones, pero requeriría más energía para hacerlo.
Mientras que los científicos piensan que los fotones pueden ser de utilidad para la información cuántica y el desarrollo de ordenadores cuánticos, el principal valor de la experiencia es que aumenta su comprensión de los conceptos físicos básicos, tales como las fluctuaciones del vacío. Estas fluctuaciones, dijeron, puede tener una conexión con la energía oscura, que impulsa la expansión acelerada del universo.
«Detrás del propio DCE, está una de las primeras demostraciones experimentales de la dinámica del campo electromagnético no adiabático (muy rápido), que es un campo potencialmente más amplio y general, lo que podría encontrar algunas aplicaciones», dijo Christopher Wilson, un científico de Chalmers .
«Los efectos de DCE y relacionados también son relevantes para la comprensión de algunos de los efectos en la cosmología de los inicios del universo, los agujeros negros, etc. Esto podría señalar el camino para algunos de los experimentos que pueden simular estos sistemas más exóticos. »
El trabajo apareció en la revista Nature
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