Divulgación Energía de vacio

[C1945]

Hola a todos:

Pensando en este tema me surgen las siguientes preguntas:

¿Existe o no?

¿El efecto Casimir es cierto o no?

Si la energía del vacío existe ¿cuál es su valor?, ¿Como calculan ese valor?, ¿como eliminan los infinitos en los cálculos?, ¿se puede aprovechar esa energía de algún modo?, ¿es la energía oscura?.

Me llama la atención que los físicos y cosmólogos no perecen darle demasiada importancia.

Saludos a todos.

[carroza]

Re: Energía de vacio

Hola.

La energía del vacío existe, pero hay que entenderla y definirla con cuidado.

El caso más simple, para entender el concepto, es el oscilador armónico. En mecánica clásica, la energía mínima de una partícula en un pozo de potencial es cero: la partícula está quieta (energía cinética cero), en el fondo del pozo (energía potencial cero).

En mecánica cuántica esto no es posible, por el principio de incertidumbre. La energía mínima de una partícula, en un pozo de potencial armónico, es $1/2 \hbar \omega$. Así, la partícula no puede estar totalmente quieta, y no puede estar en el fondo del pozo.

Cuando pasamos a teoría cuántica de campos, todas las partículas que conocemos (fotones, electrones, quarks), vienen descritos por ciertos campos. Aunque no tengamos partículas,o sea, aunque estemos en el vacío, los campos electromagnéticos, electrónico, de quark, no pueden ser cero. Tienen valores residuales, que llevarían asociada una cierta energía.

Esta energía puede ponerse de manifiesto cuando, como se hace en el efecto casimir, modificamos las condiciones de contorno de los campos (con dos placas conductoras muy cercanas), con lo que varía la energía del vacío entre ellos. También se ponen de manifiesto como pequeñas correcciones en los niveles de energía de los átomos (efecto lamb), debido a la polarización del vacío.

El problema de "aprovechar" la energía del vacío, o incluso de "medir" la energía del vacío, es que necesitaríamos otro estado, digamos "supervacío", para poder hacer una transición entre ambos. Esto no es fácil, pero en algun caso tiene sentido.

Por ejemplo, se supone que en los primeros instantes del big bang, el campo de Higgs tenía valor medio nulo. Posteriormente, cuando se "enfría el universo", el campo de higgs cae a su valor de mínima energía, adquiere un valor medio no nulo y esto da lugar a las masas de las partículas. La caida de campo de Higgs de su "vacío" inicial (H=0) a su "vacio" actual (H distinto de cero), liberó un montón de energía, y esto está asociado al periodo inflacionario del universo.

Seguro que algún cosmólogo del foro te puede explicar esto mejor que yo.

Saludos

[C1945]

Re: Energía de vacio

Hola Carroza:

Gracias tu descripción, es muy clara.

Leí en un artículo que si se pudiera crear un material que funcione como un diodo en cuanto a las ondas electromagnéticas se podría aprovechar la energía de vacío.
La ideas es que una placa de este material permitiría que las ondas electromagnéticas circulen en un sentido a través de la placa y no en el otro. De esta manera se crearía una diferencia de presión entre las caras que empujaría la placa.
¿Como lo ves, podría ser posible?
¿Tienes idea de como se puede calcular esta diferencia de presión?
Para facilitar los cálculos podemos acotar las longitudes de onda por ejemplo entre 10 nm y 1000 nm.

Esto viene a cuento de un material que fabricó un laboratorio asociado a la NASA que tiene la propiedad de absorber el 99,5 % de la luz en el rango anterior.
La idea de ellos es usarlo para instrumentos ópticos en los satélites.
Lo que hicieron es depositar una capa del material en una cara de una placa de acero inoxidable.

Como una cara absorbe luz y la otra la refleja, se debiera generar una fuerza sobre la placa al igual que en un Radiómetro.

¿Como podemos evaluar esta fuerza?

Saludos

[Julián]

Re: Energía de vacio

Los diodos hacen eso, dejan pasar la onda en un sentido y en el otro no, ya que el vector de poynting en una linea es el mismo que la corriente. Lo que pasa es que los diodos comerciales más rápidos como los pueden llegar a pasar hasta frecuencias de $250*{10}^{9} [Hz]$ y a partir de ahí las señales empiezan a pasar en ambos sentidos. Las frecuencias del espectro que tu mencionas son mucho mayores a esta frecuencia promedio de corte de los diodos "rapidos". Sería un buen desarrollo que daría un buen comienzo (siempre dependiendo del costo) a la fotónica. ¿Tienes el link de dicho artículo de la nasa? o en donde lo leiste.

Presión de radiación: http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C...radiaci%C3%B3n, es la potencia de la onda sobre unidad de superficie sobre la velocidad de la luz en dicho medio.

PD: perdón había entendido que el artículo de la nasa era sobre diodos de frecuencias altas. Y no sobre el material de la vela solar que tanto vienen diciendo que van a hacer. Esperemos poder verla pronto entonces.

[carroza]

Re: Energía de vacio

Hola.

La presión de radiación puede utilizarse para producir energía, siempre que uno tenga más radiación a un lado que al otro. Ese es el fundamento de las "velas solares", muy presentes en ciencia ficción, y perfectamente viables físicamente.

Si hay la misma radiación a un lado que al otro, no veo cómo aprovecharlo. Estaríamos violando, entre otras cosas, la segunda ley de la termodinámica, porque disminuiríamos la entropía de un sistema aislado.

En el caso de la energía del vacío, si reducimos el campo residual de una zona, estaríamos aumentando su energía, porque el vacío es eso, el estado con mínima energía, que no corresponde a un campo cero.

Así que nos costaría energía reducir el campo electromagnético de una zona del espacio, por debajo del campo mínimo que nos da la energía del vacío, para aumentarlo en otra zona.

Saludos

[C1945]

Re: Energía de vacio

Hola:

Para Julian403 el link es http://www.nasa.gov/topics/technolog...-material.html.

Carroza veo que no crees que se pueda aprovechar la energía de vacío y tus argumentos parecen claros.

Pero me queda una duda: ¿la energía de vacío interactua con la materia?
Tratándose de ondas electromagnéticas debiera ser y de ser así algunas ondas serán absorbidas calentando el material y/o empujándolo y otras reflejadas.
Como se menciona el el link que puso Julian403.

Saludos.

[carroza]

Re: Energía de vacio

Hola.

Insisto en que la energía del vacío es la mínima energía que puede tener el campo electromagnetico en una región del espacio determinada. Si yo disminuyera el valor campo electromagnético, por debajo del valor que me da la energía del vacío, aumentaría la energía del campo electromagnético.

Así que, si hipotéticamente, las ondas electromagnéticas del vacío interaccionaran por efecto Joule con la materia, aumentaría la energía del material por calentamiento y aumentaría la energía del campo electromagnético, al ser su valor distinto al que da el mínimo de energía. Violaríamos la conservación de la energía.

Esto son las cosas de la cuántica. Es lo mismo que si queremos obtener energía de un átomo de hidrógeno, en su estado fundamental, frenando el electrón y acercándolo a distancias inferiores al radio de Bohr. Si el átomo de hidrógeno fuera clásico, podría obtener energía de esa manera, pero como es cuántico, no puedo hacerlo, porque me costaría energía.

Saludos

[C1945]

Re: Energía de vacio

Hola:

Te cito:
Así que, si hipotéticamente, las ondas electromagnéticas del vacío interaccionaran por efecto Joule con la materia, aumentaría la energía del material por calentamiento y aumentaría la energía del campo electromagnético, al ser su valor distinto al que da el mínimo de energía. Violaríamos la conservación de la energía.

Te leo cuidadosamente y creo entender que para vos las ondas electromagnéticas de la energía del vacío no interaccionan con la materia.

Supongo que estaremos de acuerdo en lo siguiente:

La energía del vacío se manifiesta como ondas electromagnéticas.
La explicación del efecto Casimir se basa en que lo son.
El vacío está surcado por ondas electromagnéticas de todas la longitudes de onda (energía), todas las polarizaciones y en todas las direcciones y sentidos.
¿Que característica tienen estos fotones para no interaccionar con la materia?

Saludos.

[carroza]

Re: Energía de vacio

[FONT=Times New Roman]Hola.

Aclaro: El campo electromagnético no nulo que existe en el vacío interacciona con la materia, por efectos sutiles como el efecto Lamb (polarización del vacío), pero no cede energía a la materia (por ejemplo, no produce efecto Joule). Puede haber "interacción" con la materia, modificando sus propiedades, pero no "transmisión de energía".

Con respecto al vacío, puntualizo:

El vacío en la naturaleza es el estado solución de las ecuaciones de movimiento con mínima energía.

En teoróa cuántica de campos, hay muchos campos, no sólo el electromagnético. Hay el campo electrónico (asociado a electrones y positrones), el campo muónico, los campos de quarks y neutrinos, el campo de Higgs, etc etc.

En el vacío (estado de mínima energía), los campos no son nulos, sino que tienen un cierto valor. Esto se manifiesta, en el caso del campo electromagnético, por el efecto Casimir.

Los fotones aparecen cuantizando el campo electromagnético, y vienen caracterizados por una energía y un momento determinados.
Los fotones se propagan, y pueden producirse y detectarse.
Si hay fotones, hay campo electromagnético, pero puede haber campo electromagnético sin haber fotones. Este es exactamente el caso del vacío.
Hay un campo electromagnético, asociado a fluctuaciones cuánticas, pero no hay fotones.

Saludos

[/FONT]

[C1945]

Re: Energía de vacio

Hola:

Tus afirmaciones me desconciertan.

[FONT=Times New Roman]Si hay fotones, hay campo electromagnético, pero puede haber campo electromagnético sin haber fotones. Este es exactamente el caso del vacío.[/FONT]
[FONT=Times New Roman]Hay un campo electromagnético, asociado a fluctuaciones cuánticas, pero no hay fotones.
[/FONT]
He estado releyendo mis libros y apuntes sobre el electromagnetismo y solo encuentro que los fotones y el campo electromagnético son una relación biunívoca.
Sabes donde puedo encontrar información que explique como es posible que exista un campo electromagnético y no haya fotones.
Seguramente todos te lo vamos a agradecer.

Saludos.

[carroza]

Re: Energía de vacio

Hola.

Para hablar de fotones necesitas teoría cuántica de campos. Una introducción útil es "Electrodinámica Cuántica", de Feynmann.

Veo, por tu perfil, que eres de ingeniería. Desgraciadamente, en ingeniería no suele verse ni cuántica como tal asignatura, ni mucho menos teoría cuántica de campos. Lo cual me parece una grave carencia del sistema académico.

Si te interesa el tema, te recomendaría que no sólo leyeras algo de divulgación, sino que intentaras hacer un curso de física cuántica completo, en la Uned, o donde vieras mejor.

Como comenté previamente, la clave es entender el oscilador armónico. Puede tenerse energía y desplazamiento en el estado de mínima energía, que tiene cero cuantos de vibración, o sea cero fonones.

De la misma manera, en el vacío se tiene un campo electromagnético no nulo, con cero cuantos del campo electromagnético, o sea cero fotones.

Saludos

[C1945]

Re: Energía de vacio

Carrosa te agradezco mucho la dedicación que me diste.

Me desilusiona que no se pueda aprovechar la energía del vacío hubiera resuelto los problemas de energía de la humanidad.

Para hacer un curso de física cuántica estoy un poco viejo pero voy a intentar estudiar por las mías.

Saludos y gracias nuevamente de un ingeniero con inquietudes.

- - - Actualizado - - -

Carroza:

Perder una batalla no significa perder la guerra.
Me rendí demasiado rápido apabullado por la electrodinámica cuántica y me olvidé de que me quedan dos misiles.

Volvamos al efecto Casimir.
Hay materiales electrónicos que tienen la propiedad de volverse conductores al estar polarizados de cierta manera.
La tecnología podría llegar a fabricar placas de este material.
Si en el experimento de Casimir reemplazamos las placas metálicas por placas de este material al polarizarlo se vuelve conductor y las placas tienden a juntarse.
Luego despolarizamos, las placas se hacen aislantes o no conductoras y con resortes sujetos a las placas logramos que se separen.
Repitiendo alternativamente las polarizaciones y despolarizaciones tendremos un movimiento oscilante de las placas.
Para darle simpatía al asunto conectamos las placas a una biela manivela y logramos hacer girar una rueda como hace una maquina de vapor de simple efecto.
Con lo que estaríamos sacando energía del vacío.

Aquí hay que separar la tecnología de la ciencia, asumir que el material es factible y obviar la energía necesaria para polarizar las placas.
Tampoco el Tokamak genera más energía de la que gasta.

¿Como lo ves?

Saludos.

[carroza]

Re: Energía de vacio

Volvamos al efecto Casimir.
Hay materiales electrónicos que tienen la propiedad de volverse conductores al estar polarizados de cierta manera.
La tecnología podría llegar a fabricar placas de este material.
Si en el experimento de Casimir reemplazamos las placas metálicas por placas de este material al polarizarlo se vuelve conductor y las placas tienden a juntarse.
Luego despolarizamos, las placas se hacen aislantes o no conductoras y con resortes sujetos a las placas logramos que se separen.
Repitiendo alternativamente las polarizaciones y despolarizaciones tendremos un movimiento oscilante de las placas.
Para darle simpatía al asunto conectamos las placas a una biela manivela y logramos hacer girar una rueda como hace una maquina de vapor de simple efecto.
Con lo que estaríamos sacando energía del vacío.

Aquí hay que separar la tecnología de la ciencia, asumir que el material es factible y obviar la energía necesaria para polarizar las placas.

Hola. Estás describiendo un móvil perpetuo de primera especie. Es decir, un artilugio para obtener energía gratis.

El diseño (y patentes) de estos artilugios estuvo muy en boga en el siglo XVIII, y aún sigue hasta ahora http://en.wikipedia.org/wiki/History...otion_machines

En 1775, la academia de ciencias de París se negó a mantener ninguna correspondencia más sobre móviles perpetuos.

Como la web de física todavía no ha publicado ninguna instrucción al respecto, podemos seguir hablando del tema.

El problema de tu diseño es que, al polarizar las placas para hacerlas conductoras, tendrías que darle como mínimo la energía necesaria para producir la variación de energía del vacío que se produciría entre las placas.


Saludos

[C1945]

Re: Energía de vacio

Hola:

Entiendo tu enfoque.
Si polarizo las placas estando suficientemente separadas necesitaré una cierta energía, si las polarizo cuando están juntas necesitaré más energía.
Visto de otro punto el trabajo que realizarán las placas al juntarse debe coincidir con la energía que les suministro al polarizarlas estando separadas.
Aquí hay varias cosas, si las placas fueran ideales de superficies perfectas el trabajo sería infinito ya que llegarían a una distancia cero.
En la realidad la superficie termina siendo rugosa y el contacto se produce entre pocos punto con lo que la distancia es un valor mínimo pero no nulo.
La fuerza por unidad de área entre las placas es F/A = K/d^4 y el trabajo aproximadamente termina siendo proporcional a K/d^3 siendo esta última "d" la distancia final, con lo que puede ser una valor enorme para pequeñas distancias.
Todo esto resultaría en que es prácticamente imposible polarizar las placas si están muy juntas.

La verdad es que imaginando el dispositivo y sus circunstancias una reacción del material tan extrema por el solo hecho de juntar las dos placas no me cierra.

No reniego de tu visión del tema, es muy razonable y de hecho no se puede fabricar una máquina de movimiento continuo, que por otra parte no era mi intención sino aprovechar la energía del vacío que por ahora va resultando muy esquiva.

Tal vez hay algo que se nos está escapando.

Saludos.

[C1945]

Re: Energía de vacio

Hola:

Pensando y repensando en el tema se me ocurrió una variante del dispositivo que es mucho más simple y evidente.

Se trata de las dos placas conductoras del aparato original del efecto Casimir.
Están inicialmente separadas a una distancia "d" donde hay una leve fuerza por la diferencia de presiones de ondas electromagnéticas.
Si las libero comienzan a acercarse y a medida que la distancia disminuye la fuerza aumenta con la inversa de la cuarta potencia de la distancia.
Un instante antes de chocar tienen una cierta velocidad y como tienen masa también tienen energía cinética provista por el espacio vacío.
Cuando chocan la energía cinética se transforma en energía térmica, las placas se calientan.
Ahora las deslizo una sobre la otra de forma que el área en contacto disminuya y consecuentemente la fuerza entre ambas.
Este movimiento es perpendicular a la dirección de las fuerzas entre las placas, con lo que no realizo trabajo.
Para facilitar las cosas podemos suponer que no hay rozamiento.
Pero si se lo quiere incluir, el trabajo contra las fuerzas de rozamiento solo se transforma en energía térmica y las placas se calientan un poco más.
Cuando termino de separar las placas no hay más fuerzas entre ellas y las puedo llevar a la posición original.
Este último movimiento no implica trabajo porque vuelvo al mismo punto del que partí.
Ahora podemos repetir el ciclo y nuevamente transformamos la energía del vacío en más calentamiento de las placas.
En ningún momento le estamos devolviendo energía al campo electromagnético.

Obviamente esto choca con el segundo principio de la termodinámica y con la descripción que hace de la energía del vacío la física cuántica como bien mencionó Carroza más arriba y además no puede ser un móvil perpetuo de primera especie.

Aquí solo me queda conjeturar lo siguiente: si al espacio vacío le sacamos energía este se contrae.
En forma inversa a lo que hace la energía oscura con la expansión del universo.

Me gustaría que le encuentren una explicación satisfactoria al tema porque si no habrá muchas cosas para replantear.

Saludos.