Energía del punto cero 1

Energía del punto ceroLa energía del punto cero es en física la energía más baja que un sistema físico mecano-cuántico puede poseer, y esla energía del estado fundamental del sistema. El concepto de la energía del punto cero fue propuesto por AlbertEinstein y Otto Stern en 1913, y fue llamada en un principio "energía residual". La expresión es una traducción delalemán Nullpunktsenergie. Todos los sistemas mecano-cuánticos tienen energía de punto cero. La expresión surgecomo referencia al estado base del Oscilador armónico cuántico y sus oscilaciones nulas[cita requerida]. En la teoría decampos cuántica, es un sinónimo de la energía del vacío o de la energía oscura, una cantidad de energía que se asociacon la vacuidad del espacio vacío. En cosmología, la energía del vacío es tomada como la base para la constantecosmológica. A nivel experimental, la energía del punto cero genera el efecto Casimir, y es directamente observableen dispositivos nanométricos.Debido a que la energía del punto cero es la energía más baja que un sistema puede tener, no puede ser eliminada dedicho sistema. Un término relacionado es el campo del punto cero que es el estado de energía más bajo para uncampo, su estado base, que no es cero.Pese a la definición, el concepto de energía del punto cero y la posibilidad de extraer "energía gratuita" del vacío hanatraído la atención de inventores independientes.

HistoriaEn 1900, Max Planck dedujo la fórmula para la energía de un "radiador de energía" aislado, i.e. una unidad atómicavibratoria, como:

Aquí, es la constante de Planck, es la frecuencia, k es la constante de Boltzmann, y T es la temperatura.

En 1913, utilizando esta fórmula como base, Albert Einstein y Otto Stern publicaron un artículo de gran importanciadonde sugerían por primera vez la existencia de una energía residual que todos los osciladores tienen en el ceroabsoluto. Llamaron a esto "energía residual", o Nullpunktsenergie (en Alemán), que fue más tarde traducido comoenergía del punto cero. Realizaron unos análisis del calor específico del gas hidrógeno a baja temperatura, yconcluyeron que los datos se representan mejor si la energía vibracional es elegida para que tome la forma:

Por lo que, de acuerdo a esta expresión, incluso en el cero absoluto la energía de un sistema atómico tiene el valor½hν.[1]

Fundamentos físicosEn física clásica, la energía de un sistema es relativa, y se define únicamente en relación a algún estado dado (amenudo llamado estado de referencia). Típicamente, uno puede asociar a un sistema sin movimiento una energíacero, aunque hacerlo es puramente arbitrario.En física cuántica, es natural asociar la energía con el valor esperado de un cierto operador, el Hamiltoniano delsistema. Para casi todos los sistemas mecano-cuánticos, el valor esperado más bajo posible que este operador puedetener no es cero; a este valor más bajo posible se le denomina energía del punto cero. (Nota: Si añadimos unaconstante arbitraria al Hamiltoniano, obtenemos otra teoría que es físicamente equivalente al Hamiltoniano previo. Acausa de esto, sólo la energía relativa es observable, no la energía absoluta. Sin embargo, esto no cambia el hecho deque el momento mínimo es no nulo).

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El origen de una energía mínima no nula puede ser intuitivamente comprendido en términos del principio deindeterminación de Heisenberg. Este principio establece que la posición y el momentum de una partícula enmecánica cuántica no pueden ser conocidos con precisión simultáneamente. Si la partícula es confinada a un pozo depotencial, entonces su posición es como mínimo parcialmente conocida: debe estar en el pozo. Por ello, uno puedededucir que en el pozo, la partícula no puede tener momento cero, pues de lo contrario se violaría el principio deincertidumbre. Porque la energía cinética de una partícula en movimiento es proporcional al cuadrado de suvelocidad, no puede ser cero tampoco. Este ejemplo, sin embargo, no es aplicable a una partícula libre - la energíacinética de la cual si puede ser cero.

Variedades de energía del punto ceroLa idea de la energía del punto cero está presente en diferentes situaciones, y es importante distinguirlas, y notar quehay muchos conceptos muy relacionados.En mecánica cuántica ordinaria, la energía del punto cero es la energía asociada con el estado fundamental delsistema. El más famoso ejemplo de este tipo es la energía asociada con el estado fundamental del

oscilador armónico cuántico. Más exactamente, la energía del punto cero es el valor esperado del Hamiltoniano delsistema.En teoría cuántica de campos, el tejido del espacio se visualiza como si estuviera compuesto de campos, con elcampo en cada punto del espacio-tiempo siendo un oscilador armónico simple cuantizado, que interactúa con lososciladores vecinos. En este caso, cada uno tiene una contribución de de cada punto del espacio,

resultando en una energía del punto cero técnicamente infinita. La energía de punto cero es de nuevo el valoresperado del Hamiltoniano; aquí, sin embargo, la frase valor esperado del vacío es más comúnmente utilizada, y laenergía es bautizada como energía del vacío.En la teoría de perturbaciones cuántica, se dice a veces que la contribución de los diagramas de Feynman de un bucleúnico y de bucles múltiples al propagador de la partícula elemental son las contribuciones de las fluctuaciones delvacío o de la energía del punto cero a la masa de las partículas.

Evidencia experimentalLa evidencia experimental más simple de la existencia de la energía del punto cero en la teoría cuántica de campos esel Efecto Casimir. Este efecto fue propuesto en 1948 por el físico holandés Hendrik B. G. Casimir, quien analizó elcampo electromagnético cuantizado entre dos placas metálicas paralelas sin carga eléctrica. Una pequeña fuerzapuede medirse entre las placas, que es directamente atribuible a un cambio en la energía del punto cero del campoelectromagnético entre las placas.Aunque el efecto Casimir al principio fue difícil de medir, porque sus efectos pueden verse únicamente a distanciasmuy pequeñas, el efecto es muy importante en nanotecnología. No sólo es el efecto Casimir fácilmente medido endispositivos nanotecnológicos especialmente diseñados, sino que se debe tener en cuenta cada vez más en el diseño yen el proceso de manufactura de los mismos. Puede ejercer fuerzas significativas y tensiones sobre los dispositivosnanotecnológicos, causando que se doblen, tuerzan, o incluso que se rompan.Otras evidencias experimentales incluyen la emisión espontánea de luz (fotones) por átomos y núcleos, el efectoLamb de las posiciones de los niveles de energía de los átomos, los valores anómalos de la tasa giromagnética delelectrón, etc.

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Gravitación y Cosmología

Problemas no resueltos de la física: ¿Porqué la energía del punto cero del vacío no produce una gran constante cosmológica? ¿Qué la

anula?

En cosmología, la energía del punto cero ofrece una posibilidad intrigante para explicar los especulativos valorespositivos de la constante cosmológica. En resumen, si la energía está "realmente allí", entonces debería ejercer unafuerza gravitacional. En relatividad general, la masa y la energía son equivalentes; y cualquiera de ambas puedeproducir un campo gravitatorio.Una dificultad obvia con esta asociación es que la energía del punto cero del vacío es absurdamente enorme. Dehecho, es infinita, pero uno podría decir que la nueva física se cancela en la escala de Planck, por lo que sucrecimiento debería cortarse en este punto. Incluso así, lo que queda es tan grande que doblaría el espacio de formaclaramente visible, por lo que parece que tenemos aquí una contradicción. No hay salida fácil del problema, yreconciliar la enorme energía del punto cero del espacio con la constante cosmológica observada, que es pequeña onula, ha llegado a ser uno de los problemas importantes de la física teórica, y se ha convertido en un criterio parajuzgar un candidato a la Teoría de Todo.

Utilización en propulsión y levitaciónOtra área de la investigación en el campo de la energía del punto cero es cómo puede ser utilizada para propulsión.NASA y British Aerospace tienen programas de investigación con este objetivo, pero producir tecnología práctica estodavía algo muy lejano. Para tener éxito en esta tarea, tendría que ser posible crear efectos repulsivos en el vacíocuántico, lo que de acuerdo a la teoría debería ser posible, y se están diseñando experimentos para producir y medirestos efectos en el futuro.El Catedrático Ulf Leonhardt y el Doctor Thomas Philbin, de la University of St Andrews en Escocia, han trabajadoen una forma de invertir el efecto Casimir, para que sea repulsivo en vez de atractivo. Su descubrimiento puedeconducir a la construcción de micromáquinas sin fricción con partes móviles que leviten.[2]

Rueda, Haisch y Puthoff han propuesto que un objeto masivo acelerado interactúa con el campo de punto cero paraproducir una fuerza de freno electromagnética que es la verdadera responsable del fenómeno de la inercia; verelectrodinámica estocástica.

Dispositivos de "Energía gratuita"El efecto Casimir ha establecido la energía del punto cero como un fenómeno científicamente aceptado. Sinembargo, el término energía del punto cero ha sido igualmente asociado con un área altamente controvertida - eldiseño e invención de los llamados ingenios de "energía gratuita", similares a las máquinas de movimiento perpetuodel pasado.

Referencias[1] Introduction to Zero-Point Energy (http:/ / www. calphysics. org/ zpe. html) - Calphysics Institute[2] Telegraph (http:/ / www. telegraph. co. uk/ news/ main. jhtml?xml=/ news/ 2007/ 08/ 06/ nlevitate106. xml) article Physicists have 'solved'

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Lecturas complementarias• Beiser, Arthur (1967). Concepts of Modern Physics. McGraw-Hill.• Albert Einstein and L. Hopf (1910). «On a theorem of the probability calculus and its application to the theory of

radiation». Ann. Phys. 33:  pp. 1096–1104.• Albert Einstein and L. Hopf (1910). «Statistical investigation of a resonator’ s motion in a radiation field». Ann.

Phys. 33:  pp. 1105–1115.• Albert Einstein and Otto Stern, (1913). «—». Ann. Phys. 40:  pp. 551.• Forward, R. (1984). « Extracting electrical energy from the vacuum by cohesion of charged foliated conductors

(http:/ / www. calphysics. org/ articles/ Forward1984. pdf)». Phys. Rev. B 30:  pp. 1700.• Forward, R. (February 1996). Mass Modification Experiment Definition. Forward Unlimited. PL-TR-96-3004.• Bernard Haisch, Alfonso Rueda and York Dobyns (2001). « Inertial mass and the quantum vacuum fields (http:/ /

www. calphysics. org/ articles/ annalen. pdf)». Annalen der Physik 10:  pp. 393-414.• Loudon, R. (September 2000). The Quantum Theory of Light (Third Edition edición). Oxford: Clarendon Press.

ISBN 0-19-850176-5.• Milonni, Peter W. (1994). The Quantum Vacuum: an Introduction to Quantum Electrodynamics. New York:

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calphysics. org/ articles/ gravity_arxiv. pdf)». Annalen der Physik 14:  pp. 479-498.• Cook, Nick (2001). The Hunt for Zero Point. London: Century. ISBN 0-7126-6953-1.• Sciama, D. W. (1991). Simon Saunders and Henry R. Brown, eds. ed. The Philosophy of Vacuum. Oxford:

Clarendon Press. ISBN 0-19-824449-5.

Enlaces externos• Zero-point energy? (http:/ / van. physics. uiuc. edu/ qa/ listing. php?id=1256) "Ask the Van" popular science FAQ

at University of Illinois.• Philip Yam, " Exploiting Zero-point Energy (http:/ / www. padrak. com/ ine/ ZPESCIAM. html)", Scientific

American Magazine, December 1997, pp. 82-85.• Alokik Kanwal, Zero-point energy (http:/ / www. eden. rutgers. edu/ ~alokik/ Zero/ 3D Zero-Point Energy. PPT)

(Power Point presentation; rutgers.edu)

Fuentes y contribuyentes del artículo 5

Fuentes y contribuyentes del artículoEnergía del punto cero  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=66373888  Contribuyentes: .José, AdalCobos, Alsuara, Coronel T.J. "king" kong, Diegusjaimes, Ente X, FJJW,Facalo, Fache, Fonsi80, Gusama Romero, Götz, Itsukki, JMCC1, Jusore, Krysthyan, Leonpolanco, Nicoguaro, Salvamoreno, Tano4595, 35 ediciones anónimas

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