Ingeniería del Espaciotiempo y Aprovechamiento de la Energía del Punto Cero del Vacío Cuántico

Por: William Brown, científico de Resonance Science Foundation

"El vacío encierra la clave para comprender plenamente las fuerzas de la naturaleza". P.C.W. Davies, Superforce (Simon and Schuster, New York, 1985). P.104

Resulta interesante que la energía del punto cero se asocie con científicos locos e inventores disparatados, cuando en realidad es la base absoluta de la mecánica cuántica, y la teoría cuántica moderna tiene su origen más temprano en el descubrimiento de la energía del punto cero, muy real y constitutiva de los sistemas materiales. Dado que los sistemas materiales no son más que excitaciones modeladas de campos cuánticos subyacentes, la energía del punto cero se aplica igualmente al estado de vacío de estos campos cuánticos y existe un campo del punto cero siempre presente.También es interesante que, a pesar de tener más de un siglo de antigüedad, la mecánica cuántica parezca ser considerada por muchos como una teoría avanzada, incluso puntera; quizá porque a pesar de ser una teoría antigua e incluso provisional que acabará siendo suplantada, todavía mantiene muchos resultados aparentemente misteriosos e inexplicables, como la energía del punto cero de los campos cuánticos. En efecto, el vacío cuántico sigue sin ser bien comprendido en general, incluso por los físicos, muchos de los cuales parecen inclinarse a considerar la energía del punto cero del espacio libre como trivial o virtual, y ciertamente se levantan cejas cuando se menciona -siguiendo los hechos de la teoría cuántica- que vivimos en un verdadero mar ilimitado de energía y que esta energía puede aprovecharse. Sin embargo, como veremos, esos "inventores locos" ya están mucho más allá del debate sobre la materialidad del vacío; ellos están diseñando activamente el espaciotiempo con dispositivos que pretenden funcionar aprovechando la energía del punto cero del vacío cuántico.A principios de este año, investigadores de la Universidad de Gante (Bélgica) anunciaron la invención de un generador de números aleatorios ultrarrápido que utiliza fluctuaciones cuánticas —variaciones impulsadas por pares de partículas y antipartículas que se forman y luego se aniquilan- para generar números aleatorios hasta 200 veces más rápido de lo que pueden hacerlo los dispositivos comerciales disponibles [1]. Y este mismo mes de julio, investigadores del MIT han demostrado que las fluctuaciones del vacío cuántico pueden controlarse con un láser y han descrito la utilización de este método para aprovechar las fluctuaciones aleatorias de la energía del vacío cuántico (en el espacio libre) con el fin de generar cadenas de bits aleatorias para la computación probabilística [2]. Estas metodologías que aprovechan y utilizan directamente la energía del punto cero del vacío cuántico demuestran (1) que la densidad de energía del vacío cuántico no es trivial ni virtual, y (2) que las técnicas de ingeniería de las fluctuaciones estocásticas del campo de energía del punto cero del vacío cuántico son factibles y, de hecho, avanzan hacia aplicaciones tecnológicas directas.

Con el advenimiento de las capacidades de ingeniería del espaciotiempo que provienen de la comprensión de la energía del punto cero del vacío cuántico y la naturaleza de la gravedad, veremos el amanecer de tecnologías que remodelarán fundamentalmente nuestra civilización y nos llevarán a las estrellas.

Planck, Einstein, Nernst y la Energía del Punto Cero

"La existencia de una energía del punto cero de tamaño 1/2hv [es] probable". -Albert Einstein y Otto Stern (1913) [3]

Todos los sistemas materiales están formados por osciladores armónicos elementales -o, más exactamente, por frecuencias angulares armónicas de espín-, ya sean átomos o partículas subatómicas. A principios del siglo XX se descubrió que estos osciladores armónicos tienen un valor energético indeleble incluso en el nivel del punto cero, donde clásicamente no debería haber energía. Dado que los sistemas materiales no son más que excitaciones modeladas de un campo cuántico subyacente, estos elementos vibracionales se extienden a la descripción de los campos cuánticos, de modo que los osciladores armónicos cuánticos constituyen el tejido / la materialidad misma del espacio y la energía del punto cero asociada está presente en todos los campos. Por ejemplo, la energía del punto cero del campo electromagnético, a veces denominada simplemente Campo del Punto Cero (ZPF por sus siglas en inglés). Dado que esta energía permanece incluso cuando se han eliminado todas las fuentes clásicas de masa, energía o fuerza de un espacio dado -en lo que de otro modo sería un vacío-, la energía del punto cero confiere al vacío del espacio una densidad de energía indeleble, de modo que el espacio libre no está vacío, sino que es un vacío cuántico: lleno de fluctuaciones energéticas constitutivas de campos cuánticos incluso en el vacío / estado básico / nivel del punto cero. La comprensión moderna del vacío cuántico y de las fluctuaciones de energía del estado de vacío distinto de cero tiene sus inicios hacia 1912 - 1913 con las investigaciones de Planck, Nernst (el padre del vacío cuántico), Einstein y Stern sobre la radiación del cuerpo negro, la energía del punto cero de los osciladores armónicos y el campo electromagnético. La elucidación de la energía del punto cero (Nullpunktsenergie) por Planck y Einstein es anterior al formalismo de la mecánica cuántica, aunque en la física contemporánea la energía del punto cero se asocia más estrechamente con los osciladores armónicos cuánticos y las fluctuaciones en el vacío de los campos de materia y los campos de fuerza (cuyos cuantos son fermiones y bosones, respectivamente). Conectadas con las fluctuaciones energéticas del vacío electromagnético están las fluctuaciones geometrodinámicas del colector del espaciotiempo que genera volúmenes continuos de alta curvatura positiva y negativa, dando lugar a una geometría espaciotemporal de microagujeros de gusano / puentes de Einstein-Rosen a escala de Planck, que John Archibald Wheeler denominó espuma cuántica del espaciotiempo.

Es indicativo del malentendido predominante en relación con la energía del punto cero del espacio libre que, cuando se habla de las fluctuaciones del vacío cuántico, se diga que se producen como resultado del principio de incertidumbre de Heisenberg; esto es un error. La relación de incertidumbre de Heisenberg entre energía y tiempo permite grandes fluctuaciones de energía en intervalos de tiempo suficientemente cortos, pero la energía del punto cero y las fluctuaciones del vacío de la materia y los campos de fuerza no tienen su origen en la indeterminación cuántica intrínseca.

El inicio del concepto de energía del punto cero se encuentra en los trabajos de Planck sobre la cuantización de la energía (mediante la constante de Planck , el nacimiento de la teoría cuántica) para resolver la divergencia de alta frecuencia de la densidad de energía radiativa que se producía en las predicciones clásicas de la densidad espectral de la radiación electromagnética para un cuerpo negro, lo que se denominó la catástrofe ultravioleta o el problema del cuerpo negro [4]. Al analizar la entropía de los osciladores armónicos que componen un cuerpo negro (los átomos de un material absorbente), Planck descubrió -contrariamente a lo esperado- que, a medida que la temperatura de un sistema material llega a cero, los osciladores mecánicos de dicho cuerpo conservan un valor energético distinto de cero. Así, a partir de la consideración de la relación de la entropía con la energía media de un radiador elemental (un oscilador material), Planck descubrió la existencia de la energía del punto cero, ya que el análisis matemático de Planck y la solución al problema del cuerpo negro revelaron que, incluso a temperatura cero (el nullpunkt, o punto cero), sigue habiendo energía en el oscilador material.

Este resultado se obtuvo a partir de consideraciones teóricas para resolver la catástrofe ultravioleta, sin embargo ahora existen amplias observaciones directas de la energía intrínseca del punto cero, evidenciada en el comportamiento de sistemas materiales en condiciones de superenfriamiento: desde condensados de Bose-Einstein, pares de Cooper de electrones en superconductores, hasta superfluidez. Por ejemplo, el helio líquido no se congela independientemente de la temperatura a la presión atmosférica estándar debido a la energía del punto cero que permanece incluso cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto Kelvin; en cambio, cuando se enfría por debajo de su punto Lambda, el helio se convierte en un superfluido. Obsérvese que el comportamiento y las propiedades no clásicas de los sistemas superfluidos y superconductores tienen una relevancia significativa para las consideraciones sobre la naturaleza del vacío cuántico, ya que en algunos enfoques de la física teórica, como la teoría del vacío superfluido (teoría del vacío del condensado de Bose-Einstein), el vacío se modela como un superfluido [5,6,7].

En 1906 Einstein definió los cuantos de radiación de energía exponiendo el argumento heurístico de que la emisión y absorción de los osciladores de Planck cambia por intervalos discretos que son múltiplos integrales de, iniciando esencialmente el concepto de fotón. Esto permitió a Einstein hacer predicciones específicas a partir de su dilucidado efecto fotoeléctrico, un efecto importante en la consideración del acoplamiento de la materia con las fluctuaciones cuánticas del vacío implicadas en la absorción y emisión de cuantos electromagnéticos. Al estudiar la naturaleza de los osciladores dipolares, Einstein y Stern aplicaron una energía del punto cero a la energía media de un oscilador dipolar. Cuando aplicaron este factor de energía del punto cero a los osciladores dipolares fueron capaces de producir exactamente el espectro de Planck de la radiación de cuerpo negro. Curiosamente, el valor de la energía del punto cero de Einstein y Stern era dos veces superior al hallado anteriormente por Planck. Esto significa que, aunque no se dieron cuenta en su momento, Einstein y Stern descubrieron la energía del punto cero de los modos de campo -el campo del punto cero- porque el movimiento del punto cero de un oscilador dipolar material está acoplado a las oscilaciones del punto cero del campo y, por tanto, su valor derivado era el doble del de Planck.

Sin embargo, a pesar de haber sido los creadores de la energía del punto cero, ni Planck ni Einstein y Stern sugirieron nunca que pudiera existir un campo del punto cero. En cambio, la primera discusión sobre esta posibilidad se atribuye a Walther Nernst en 1916 [7]. Aunque menos conocido que sus contemporáneos Einstein y Planck, Nernst fue una figura seminal de la física moderna y muchos lo consideran el abuelo de conceptos como el vacío cuántico y la constante cosmológica, temas candentes de investigación hasta nuestros días.

¿Por qué son Importantes la Energía del Punto Cero y el Vacío Cuántico?

Así, vemos el aspecto fundacional de la energía de punto cero. De hecho, el físico Nassim Haramein y su equipo de investigación han delineado recientemente El Origen de la Masa y la Naturaleza de la Gravedad (The Origins of Mass & The Nature of Gravity), explicando:

Aunque las ecuaciones de campo de Einstein nos dicen que la gravedad es el resultado de la curvatura del espaciotiempo a partir de un término fuente dado como tensor de estrés-energía o masa-energía, no nos dice ni el origen de esta masa ni la naturaleza del espaciotiempo. Además, nos dice que ciertas regiones del espaciotiempo pueden alcanzar una curvatura infinita a partir de una densidad de energía infinita como en la singularidad de un agujero negro. Por otra parte, las primeras exploraciones de la mecánica cuántica demostraron que el estado básico del vacío cuántico electromagnético fluctúa violentamente, lo que da lugar, al sumar todos los modos, a una cantidad infinita de energía. Aquí demostramos que esta densidad de energía es la fuente de la masa y las fuerzas que se producen, ya sea a escala clásica, como en la gravedad, o a escala cuántica, como en la fuerza de confinamiento.

Utilizando las funciones de correlación, examinamos el temprano descubrimiento de Max Planck de la energía del punto cero (ZPE) en el contexto de la radiación de cuerpo negro de un oscilador.  Descubrimos que la ZPE, que diverge cuando se consideran todos los modos dando lugar a una densidad de energía electromagnética infinita, es de hecho del orden de la densidad de Planck cuando se considera la Relatividad General (RG) y la geometrodinámica cuántica proporcionando un corte natural a la escala de Planck. Mientras que en el espacio libre esta densidad de energía no es aparente a escala clásica, en fases altamente coherentes como en cavidades resonantes, esta densidad de energía se vuelve significativa y medible, por ejemplo, en el caso del efecto Casimir y del efecto Casimir dinámico.  Además, la consistencia del marco matemático de la teoría cuántica requiere la ZPE para mantener la no conmutatividad de los operadores, esencial para la estabilidad de las partículas.

Haramein, et. al., 2023. The Origins of Mass & The Nature of Gravity Abstracto. Acceso en línea a través de Spacefed.com, 8 de agosto de 2023.

Además de resolver cuestiones fundamentales en el corazón de la física, como el origen de la masa y la naturaleza de la gravedad, la comprensión de la energía del punto cero y del vacío cuántico permitirá la ingeniería de tecnologías que revolucionarán la civilización humana: como el control de la gravedad para sistemas avanzados de propulsión (no químicos) y la extracción de energía del campo del punto cero. La densidad energética del espacio libre tiene el potencial de ser la fuente de energía definitiva para la humanidad, al igual que lo es para todos los fenómenos físicos.

Para hacernos una idea de qué tipo de densidad de energía estamos hablando, podemos calcular el valor de expectativa de la energía del vacío (VEV). Cuando se suman todos los modos de campo del vacío cuántico para un determinado volumen unitario de espacio, el VEV es infinito. En la Electrodinámica Cuántica y la Electrodinámica Estocástica se utiliza (ad hoc) un procedimiento de renormalización en el que se introduce un término de corte de la frecuencia de Planck (~10⁴² Hz) para limitar los modos de campo admisibles de las oscilaciones del vacío, de modo que la densidad de energía total del vacío cuántico se calcula en unos 10¹¹³ julios por metro cúbico. Se trata de una cantidad de energía inimaginablemente grande.

Aunque inicialmente un valor de expectativa de densidad de energía del vacío del punto cero infinita puede parecer un resultado no físico, existen razones teóricas (así como observacionales) para creer que el estado de vacío tiene realmente una densidad de energía del punto cero extremadamente grande. Ya en 1907, Oliver Lodge había calculado valores de la energía del espacio libre a partir de cálculos ingenuos de la densidad del éter [1] -el vacío cuántico es un éter transmogrificado- de 10²⁶ J/cm^-3 o (por la equivalencia E = mc²) 10.000 toneladas cm^-3 [8]. Como él describió la densidad energética del espacio: "Esto equivale a decir que 3 X 10¹⁷ kWh, o la producción total de una central eléctrica de un millón de kilovatios durante 30 millones de años, existe de forma permanente, y actualmente inaccesible, en cada milímetro cúbico del espacio" [9, 10].

[1] A principios del siglo XX, se consideraba que las ondas electromagnéticas se propagaban en un medio sustancial denominado éter luminífero.

En cuanto a los valores de densidad de energía extremadamente grandes que él calculó (dadas las concepciones tempranas y limitadas de la naturaleza del campo y la densidad de energía del punto cero de su época) Lodge comentó además que: "No hay nada paradójico, ni, por lo que veo, improbable, en estas cifras... y la inercia [es decir, la masa] de la materia debe ser una mera fracción residual de la inercia del fluido complejo continuo incompresible, del que hipotéticamente está compuesta, y en el que se mueve". El cálculo de Lodge de la densidad de energía del espacio libre se basó en las propiedades entonces presuntas del omnipresente medio del éter y en las constantes etéreas de permeabilidad magnética e inductividad eléctrica del espacio libre, por lo que es interesante ver que, aunque calculó una densidad de energía aparentemente extremadamente grande, sigue siendo unas ~10⁸⁷ veces menor que los cálculos contemporáneos del VEV (cuando se utiliza la frecuencia de Planck como valor de corte para los modos de campo admisibles del campo  de ZPE).

Si pudiéramos aprovechar siquiera una mínima fracción de esta densidad energética, cubriríamos indefinidamente todas las necesidades energéticas de la humanidad y nos convertiríamos al menos en una civilización de tipo I en la escala de Kardashev (ahora mismo somos una civilización de tipo 0, ya que dependemos principalmente de la combustión de materia vegetal muerta para generar energía). Antes incluso de considerar las metodologías tecnológicas que ya están accediendo y aprovechando directamente la energía sustantiva del espacio libre, cabe señalar que no hay objeciones teóricas que nieguen la capacidad de ingeniar y aprovechar la energía del vacío. Como afirma el físico Harold Puthoff "la termodinámica básica implicada en estas propuestas [para extraer energía de la radiación electromagnética del punto cero] se analiza y aclara aquí, con la conclusión de que, sí, en principio, estas propuestas son correctas" [11].

Incluso entre los escépticos más acérrimos, como Matt Visser, de la Universidad Washington de St: "definitivamente es posible manipular la energía del vacío. Cualquier objeto que cambie la energía del vacío (conductores eléctricos, dieléctricos y campos gravitatorios, por ejemplo) distorsiona el estado mecánico cuántico del vacío. Estos cambios en la energía del vacío suelen ser más fáciles de calcular que la propia energía total del vacío. A veces incluso podemos medir estos cambios en la energía del vacío en experimentos de laboratorio. ¿Qué es la "energía del punto cero" (o "energía del vacío") en física cuántica? ¿Es realmente posible aprovechar esta energía?

Vemos, pues, que la ZPE del vacío cuántico no es trivial y que puede manipularse por medios tecnológicos. Hemos destacado una serie de metodologías de este tipo que trabajan directamente con la densidad energética del espacio libre y la aprovechan, como el: Diodo de Casimir, el protocolo de teleportación cuántica de energía  y el Efecto Schwinger en Superredes de Grafeno, por citar algunos ejemplos (además de las aplicaciones recientes comentadas en la introducción).

Comprender la naturaleza de las fluctuaciones del vacío cuántico del campo de energía del punto cero es fundamental para entender la teoría cuántica de campos, el espín y la geometrización del espacio, y la unificación de ambos en la gravedad cuántica y la física unificada. Estamos entrando en una era en la que se comprenden suficientemente la QVF y el ZPF como para que la aplicación de los modelos de la física unificada suponga un avance tecnológico directo. Aquí examinaremos algunas de las teorías y aplicaciones de la extracción de energía del vacío cuántico y la ingeniería del espaciotiempo que son técnicas demostrables de primera iteración que están abriendo el camino a futuras tecnologías que verán la plena realización del aprovechamiento del campo de energía del punto cero y el control de la métrica gravitatoria del espaciotiempo.

Extracción de Energía del Vacío Cuántico

El efecto Casimir es, con diferencia, el fenómeno más utilizado en las propuestas y técnicas aplicadas para extraer o aprovechar la energía del campo del punto cero [12]. En 1948 Hendrick Casimir describió cómo se generaría una fuerza de atracción entre dos placas perfectamente conductoras en virtud de la supresión de ciertos modos de fluctuaciones del vacío cuántico, lo que hoy se denomina Efecto Casimir. Casimir descubrió la fuerza tras estudiar las matemáticas de la electrodinámica clásica para el cambio de energía electromagnética del punto cero cuando la configuración de las placas perfectamente conductoras tenía un volumen de hueco específico (cavidad cúbica) entre ellas. Desde entonces, el efecto Casimir se ha observado y validado experimentalmente [13], incluido el efecto Casimir dinámico, en el que espejos que oscilan rápidamente generan una condición límite dependiente del tiempo del campo electromagnético del punto cero, amplificando las fluctuaciones del vacío que dan lugar a la producción de fotones [14].

_{Figura 1. En la teoría cuántica de campos, el efecto Casimir (o fuerza Casimir) es una fuerza física que actúa sobre los límites macroscópicos de un espacio confinado y que surge de las fluctuaciones cuánticas de un campo. Recibe su nombre del físico holandés Hendrik Casimir, que predijo el efecto para los sistemas electromagnéticos en 1948. Un ejemplo típico es el de dos placas conductoras sin carga en el vacío, separadas unos nanómetros. En una descripción clásica, la ausencia de un campo externo significa que no hay campo entre las placas y que no se mediría ninguna fuerza entre ellas. En cambio, cuando se estudia este campo utilizando el vacío electrodinámico cuántico, se observa que las placas sí afectan a los fotones virtuales que constituyen el campo y generan una fuerza neta, ya sea una atracción o una repulsión dependiendo de la disposición específica de las dos placas. Aunque el efecto Casimir puede expresarse en términos de partículas virtuales que interactúan con los objetos, se describe mejor y se calcula más fácilmente en términos de la energía del punto cero de un campo cuantizado en el espacio intermedio entre los objetos. Esta fuerza se ha medido y es un ejemplo sorprendente de un efecto captado formalmente por la segunda cuantización. Fuente: Wikipedia Casimir effect.}

Como tal, el efecto Casimir es un ejemplo bien conocido de violación de la condición de energía fuerte, generando una densidad de energía negativa local en el espacio, que puede tener efectos naturales como la estabilización de los túneles de los puentes de Einstein-Rosen y otras configuraciones geometrodinámicas exóticas. Como tal, sirve como prueba de concepto verificada experimentalmente para muchas tecnologías avanzadas de propulsión del espaciotiempo como los agujeros de gusano, los motores warp y para modular los modos de campo del vacío para la extracción de ZPE.

Uno de los métodos más prometedores para convertir la energía del vacío cuántico electromagnético consiste en hacer pasar gases a través de cavidades Casimir de forma que se suprima el desplazamiento Lamb de sus niveles de energía orbital electrónica -debido a la cancelación de los modos de campo del vacío que interactúan normalmente dentro de la cavidad Casimir-, lo que da lugar a una emisión o liberación de energía por parte de los átomos del gas [15]. Como se describe en la patente estadounidense 7.379.286 "cuando los átomos entran en cavidades micro-Casimir adecuadas se produce una disminución de las energías orbitales de los electrones en los átomos" y esta energía puede ser capturada [16]. Los inventores, a través de su empresa  Jovion Corporation han construido este tipo de dispositivos y han probado su capacidad de conversión de energía electromagnética en el vacío cuántico.

Los inventores explican además que "al emerger de tales microcavidades de Casimir, los átomos serán re-energizados por el vacío cuántico electromagnético ambiental. De este modo, la energía se extrae localmente y se repone globalmente desde y por el vacío cuántico electromagnético. Este proceso puede repetirse un número ilimitado de veces. Este proceso también es coherente con la conservación de la energía en el sentido de que toda la energía utilizable se produce a expensas del contenido energético del vacío cuántico electromagnético. Pueden producirse efectos similares actuando sobre los enlaces moleculares. Se describen dispositivos en los que el gas se recicla a través de una multiplicidad de cavidades Casimir. Los dispositivos divulgados son escalables en tamaño y producción de energía para aplicaciones que van desde sustitutos de pequeñas baterías hasta generadores de electricidad del tamaño de una central eléctrica".

_{Figura 2. Representación esquemática del proceso de extracción de energía del vacío. El gas circula por el sistema. Los orbitales electrónicos de los átomos de gas giran a un nivel inferior cuando el gas entra en la cavidad Casimir, irradiando el exceso de energía al absorbedor. Al salir de la cavidad, los orbitales vuelven a ser energizados por el campo del punto cero ambiental. De este modo, se recoge energía del campo del punto cero ambiental y se deposita en el absorbedor. Fuente: [15] O. Dmitriyeva y G. Moddel, "Test of Zero-point Energy Emission from Gases Flowing Through Casimir Cavities", Physics Procedia, vol. 38, pp. 8-17, 2012, doi: 10.1016/j.phpro.2012.08.007.}

Propulsión Espacial Avanzada Basada en la Ingeniería del Vacío (métrica del espaciotiempo)

El concepto de "ingeniería del vacío" encontró su primera expresión en la literatura física cuando fue introducido por el Nobel T.D. Lee en su libro de texto Particle Physics and Introduction to Field Theory [17]. Allí afirmaba: "El método experimental para alterar las propiedades del vacío puede llamarse ingeniería del vacío.... Si efectivamente somos capaces de alterar el vacío, entonces podemos encontrar nuevos fenómenos, totalmente inesperados. "Esta legitimación del concepto de ingeniería del vacío se basó en el reconocimiento de que el vacío se caracteriza por parámetros y una estructura que no dejan lugar a dudas de que constituye un medio energético y estructurado por derecho propio. Los más importantes son que (1) en el contexto de la teoría cuántica, el vacío es la sede de fluctuaciones energéticas de partículas y campos, y (2) en el contexto de la relatividad general, el vacío es la sede de una estructura espaciotemporal (métrica) que codifica la distribución de materia y energía. [18]

_{Figura 3. La métrica del impulso warp de Alcubierre. Alcubierre derivó una métrica del espaciotiempo motivada por la inflación cosmológica que permitiría tiempos de viaje arbitrariamente cortos entre dos puntos distantes en el espacio. El comportamiento de la métrica de impulso warp prevé la expansión simultánea del espacio detrás de la nave espacial y la correspondiente contracción del espacio delante de ella. De este modo, la nave espacial de impulso factorial parece "surfear sobre una ola" de geometría del espaciotiempo. Mediante una estructuración adecuada de la métrica, se puede conseguir que la nave espacial muestre una velocidad aparente superior a la de la luz arbitrariamente grande, vista por observadores externos, sin violar la restricción local de velocidad de la luz dentro de la región alterada por el espaciotiempo. Además, la solución de Alcubierre demostró que la aceleración propia (experimentada) a lo largo de la trayectoria de la nave espacial sería cero, y que la nave espacial no sufriría dilatación temporal, características muy deseables para los viajes interestelares. Para implementar un motor warp, habría que construir una "burbuja warp" que rodeara a la nave espacial generando una fina capa superficial de materia exótica, es decir, un campo cuántico con energía negativa y/o presión negativa. Fuente de la imagen y descripción: [18].}

La capacidad de manipular la métrica del espaciotiempo proviene de la capacidad de manipular la densidad de energía de las fluctuaciones cuánticas del vacío, por ejemplo, generando una densidad de energía negativa para la curvatura gravitatoria de la métrica warp (la densidad de energía negativa o la violación de la condición de energía fuerte se puede conseguir a través de la fuerza de Casimir, por ejemplo). De este modo, la extracción de energía del vacío, o más exactamente la extracción de trabajo del campo del punto cero, es lo mismo que la ingeniería geometrodinámica para la propulsión avanzada mediante el control gravitatorio, es decir, la ingeniería de la métrica del espaciotiempo. Hay muchos medios potenciales para generar gradientes en la densidad de energía del vacío cuántico para la ingeniería del espaciotiempo (y la extracción de energía); aquí veremos algunos que ya están en práctica y cerca de las aplicaciones funcionales.

Resonancia en Sistemas Eléctricos Cerrados para Modular el QVF (Campo del Vacío Cuántico)

Desde hace muchos años existen indicios validados experimentalmente de que se puede obtener empuje a partir de sistemas eléctricos cerrados, lo que abre la posibilidad de nuevos métodos de propulsión que no dependan de la combustión química ni de las emisiones de propulsantes. Un ejemplo es el EmDrive [19]: un diseño de cavidad resonante de microondas de forma cónica en el que se ha demostrado en prototipos que el sistema produce un empuje sin propulsión hacia su extremo estrecho. Esto se ha reproducido de forma independiente en al menos dos laboratorios, el laboratorio Eagleworks de la NASA [20] y la Academia China de Tecnología Espacial [21].

_{Figura 4. Esquema básico de la cavidad resonante EmDrive. El sistema utiliza una cavidad de resonancia cónica cilíndrica como propulsor y emplea una fuente de microondas integrada para generar una onda EM continua, de modo que la onda EM se irradia hacia el propulsor y luego se refleja en él para formar una onda estacionaria pura con amplitud de onda amplificada. La onda estacionaria pura produce una distribución de presión EM no uniforme en la superficie interior del propulsor. Consecuentemente, aparece un empuje EM neto distinto de cero ejerciendo sobre el eje simétrico y dirigiéndose a la placa de extremo menor del propulsor. En los experimentos se utiliza un magnetrón como fuente de microondas con una potencia de microondas de salida de 2,45 GHz de frecuencia. El empuje EM neto generado se mide utilizando un banco de pruebas de retroalimentación de fuerza. Se ha demostrado experimentalmente que el sistema de propulsión desarrollado produce un empuje de 70 a 720 mN cuando la potencia de salida de microondas es de 80 a 2500 W. Descripción de: Juan Y., Yu-Quan W., Peng-Fei L., Yang W., Yun-Min W., y Yan-Jie M., "Net thrust measurement of propellantless microwave thruster," Acta Phys. Sin., vol. 61, no. 11, pp. 110301-110301, Jun. 2012, doi: 10.7498/aps.61.110301.}

Sonny White, que dirigió las pruebas empíricas en el laboratorio Eagleworks de la NASA, explica el empuje inicialmente aparentemente anómalo del EmDrive como un resultado natural de las ondas estacionarias de microondas anisotrópicas que pueden describirse operativamente dentro de las teorías de ondas piloto basadas en el vacío o la electrodinámica estocástica [22], en las que es posible hacer/extraer trabajo en/desde el vacío (ingeniería del espaciotiempo), y por tanto empujar fuera del vacío cuántico y preservar las leyes de conservación de la energía y conservación del momento. Sonny atribuyó el empuje propulsor del resonador de microondas a la capacidad del EmDrive para "empujar" las fluctuaciones del vacío cuántico del campo del punto cero, de tal modo que el propulsor genera una fuerza volumétrica del cuerpo y se mueve en una dirección mientras se establece una estela hidrodinámica en el vacío cuántico superfluido que se mueve en la otra dirección.

Al igual que el sistema EmDrive, se está desarrollando un diseño de condensador asimétrico que produce un empuje sin propulsión denominado propulsor de efecto Mach (MET) [23, 24] y que aparece en el sitio web Spacetech de la NASA como una forma novedosa de propulsión "basada en una física revisada por pares y técnicamente creíble". Se puede obtener empuje si se introduce una corriente alterna en un material piezoeléctrico (PZT) intercalado entre una placa conductora gruesa y otra delgada. El empuje se dirige siempre hacia la placa gruesa.

_{Figura 5. Esquema del propulsor de efecto Mach por J.F. Woodward: La versión actual del propulsor de efecto Mach consiste en una pila de discos piezoeléctricos con un diseño similar al de los típicos actuadores que utilizan materiales ferroeléctricos (PZT = titanato de circonato de plomo), comercializados por muchos proveedores, por ejemplo, para aplicaciones ultrasónicas. En general, si se aplica un campo eléctrico a estos discos de PZT, se expanden y contraen en función de la intensidad y la dirección del campo. La pila piezoeléctrica/PZT está formada por varios discos conectados mecánicamente en serie pero eléctricamente en paralelo (es decir, todos los discos tienen el mismo potencial eléctrico aplicado entre sus electrodos). Esto se consigue cambiando siempre la polaridad de disco a disco, de forma que cada electrodo se enfrente a otro electrodo con la misma polaridad para evitar cortocircuitos eléctricos. Woodward utiliza electrodos de latón pegados con epoxi entre cada disco. Todo el conjunto se sujeta con tornillos de acero inoxidable entre dos tapas finales, una más grande de latón con agujeros roscados y otra más pequeña de aluminio. Los tornillos se aprietan para que la pila piezoeléctrica quede bien comprimida entre las rígidas tapas. Fuente: Brian Wang, 2017. Mach Effect Propulsion Replication and modeling that matches experimentation. NextBIGfuture.com}

Martin Tajmar del proyecto SpaceDrive Project ha reproducido los informes publicados sobre las pruebas que midieron los pequeños empujes producidos por los dispositivos EmDrive y Mach-Effect Thruster y, aunque su equipo de investigación midió los mismos valores que en los informes anteriores, atribuyó la fuerza anómala a artefactos vibratorios que pudieron identificar gracias a la altísima precisión y control de su balanza de torsión/montaje de prueba (First Results on EmDrive and Mach-Effect Thrusters, y Mach-Effect Thruster Experiments on High-Precision Balances in Vacuum). Los resultados de las pruebas del proyecto SpaceDrive demuestran lo difícil que es confirmar los verdaderos resultados positivos del empuje por microfuerza en experimentos de laboratorio en la Tierra (incluso en condiciones de vacío). Como veremos, ésta es una de las razones por las que el laboratorio definitivo para probar estos sistemas de propulsión no convencionales (sin propulsor) es probarlos en el entorno de microgravedad y bajo campo magnético del espacio. En octubre de 2023 está prevista una prueba de este tipo en el espacio.

Inercia Modificada por el Efecto Casimir a Escala de Hubble: El Motor Horizonte

El inventor Mike McCulloch ha demostrado que la hipótesis de Woodward JF de la inercia modificada gravitacionalmente por Mach no predice con precisión el empuje observado, estando en un error de varios órdenes de magnitud [25]; y en cambio ha predicho con precisión el efecto Mach, así como el empuje del EmDrive, a través de su teoría de la inercia cuantizada en la que la dinámica surge únicamente de un empuje sobre los objetos por el vacío cuántico, que puede hacerse más intenso por la alta aceleración (radiación Unruh) y hacerse no uniforme en el espacio ya sea por la materia (para explicar la gravedad) o por los horizontes de Rindler dependientes de la aceleración relativista (para explicar la inercia). Mike McCulloch afirma que su teoría predice la rotación de las galaxias sin materia oscura y sin ningún ajuste [26-29], y que la teoría de la inercia cuantizada implica que es posible producir nuevas dinámicas creando artificialmente horizontes que amortigüen el vacío cuántico, haciéndolo no homogéneo y, por tanto, capaz de empujar a los objetos. Este tipo de propulsión, una propulsión QI u horizonte, es la encarnación de la ingeniería del espaciotiempo de energía del vacío y, cuando esté operativa, permitirá la propulsión sin propulsor de naves espaciales y posibilitará los viajes interestelares, ya que podrían alcanzarse velocidades cercanas a c sin necesidad de superar también la inercia del combustible pesado [18].

A diferencia de la fuerza generada en volúmenes a nanoescala por las fuerzas de Casimir convencionales, el Horizon Drive ( Motor Horizonte) es un efecto Casimir a escala de Hubble que genera una amortiguación del vacío cuántico mediante la producción de un horizonte de Rindler que resulta de la aceleración, generando ondas de Unruh; McCulloch ha teorizado que la inercia se debe a la radiación de Unruh [30] (debido al principio de equivalencia de Einstein, la aceleración y un campo gravitatorio son equivalentes, por lo que al igual que se generará un horizonte de sucesos a partir del campo gravitatorio de un agujero negro, dando lugar a la radiación de Hawking, la aceleración generará un horizonte de Rindler produciendo el equivalente a la radiación de Hawking en un marco de referencia en aceleración: radiación Unruh).

_{Figura 6. Equivalencia de la radiación Hawking y Unruh, ya que un campo gravitatorio y una aceleración son equivalentes. La radiación es la misma, por lo que se denomina radiación Hawking-Unruh.}

El Horizon Drive, o Propulsor del Vacío Cuántico, supuestamente funciona reduciendo la radiación Unruh en el lado de un objeto en aceleración en el que se forma el horizonte de sucesos dinámico de Rindler: por ejemplo, si un objeto se acelera hacia la derecha se forma un horizonte de sucesos de Rindler a su izquierda. La radiación Unruh se reduce en este lado izquierdo del objeto que acelera a través de un efecto Casimir a escala de Hubble, por el que un desequilibrio en la presión de radiación sobre el objeto, procedente de las fluctuaciones del vacío cuántico del campo de energía del punto cero, genera una fuerza neta que se opone a la aceleración, es decir, la inercia. La inercia puede ser superada, y una fuerza neta generada en la dirección de la aceleración mediante la utilización de metamateriales o una cavidad resonante asimétrica que resulta en una fuerza de Casimir asimétrica. Respecto a esto último, imaginemos que en lugar de que las placas paralelas en la fuerza de Casimir sean perfectamente paralelas, se ponen en una configuración en forma de v, de tal forma que la fuerza de Casimir será asimétrica y generará una fuerza neta en un extremo del sistema. Del mismo modo, se puede generar un horizonte artificial cuando se confina materia o radiación electromagnética de alta aceleración dentro de una cavidad asimétrica, produciendo empuje [31] (Figura 7).

_{Figura 7. Una cavidad metálica resonante asimétrica. Los experimentos de laboratorio han demostrado que estas cavidades metálicas asimétricas con fuertes campos electromagnéticos resonando en su interior (EmDrives), producen un empuje inesperado hacia los extremos más estrechos. La inercia cuantizada predice que si las cavidades metálicas asimétricas son tan pequeñas como 129 nm, se puede obtener un empuje comparable al de la gravedad incluso a partir del campo del punto cero no excitado. Esto implica que si se construyera un material con conjuntos de nanocavidades asimétricas, la fuerza sería suficiente para hacerlo levitar. Fuente: M. E. McCulloch, "Can Nano-Materials Push Off the Vacuum?", PROGRESS IN PHYSICS. Volumen 16 (2020). http://www.ptep-online.com/2020/PP-60-02.PDF}

Poniendo a Prueba la Ingeniería del Espaciotiempo y la Inercia Cuantizada

Al igual que el EmDrive de Sawyer, el propulsor de efecto Mach de Woodward y otras tecnologías de modulación del vacío cuántico, el Horizon Drive / propulsor de vacío cuántico de McCulloch no son sólo teoría. La empresa IVO Ltd. ha desarrollado la tecnología en un dispositivo que denomina Quantum Drive. El Quantum Drive se ha probado y el empuje resultante se ha analizado durante casi 100 horas de experimentos en cámaras de vacío, y ahora el equipo de investigación del IVO está listo para poner a prueba la tecnología de propulsión puramente eléctrica (sin combustible) con un lanzamiento previsto para octubre de 2023 a bordo de un cohete de SpaceX. El Quantum Drive se probará en octubre para comprobar si puede generar el empuje propulsor mínimo y maniobrar un satélite en órbita terrestre baja.

_{Figura 8. Prototipos del Quantum Drive (propulsor cuántico), que se probará en órbita terrestre baja en octubre de 2023. Diseñado por IVO Ltd., una empresa de prototipos electrónicos, el prometedor aunque controvertido accionamiento cuántico podría cambiar el futuro de los viajes espaciales y, si se demuestra que funciona, reescribiría o ampliaría potencialmente muchos de los principios aceptados de inercia y movimiento que han existido durante siglos.}

Una vez en órbita terrestre baja, los Quantum Drives acoplados al satélite -para mayor redundancia, hay dos unidades en dos configuraciones diferentes- se encenderán (aprovechando la energía electromagnética captada de los paneles solares) y cualquier cambio en la altitud orbital medido por los sensores de a bordo demostrará la funcionalidad de los sistemas de propulsión sin propulsor. Los resultados positivos anunciarán una verdadera nueva era para la exploración espacial de la humanidad, ya que nuestro alcance de viaje es extremadamente limitado debido a la necesidad de transportar grandes cantidades de propulsante químico. Un propulsor "sin reacción", aunque sólo produzca cantidades mínimas de empuje como la iteración actual del propulsor cuántico, cambiará las reglas del juego. Porque en el entorno de baja gravedad del espacio, un pequeño empuje continuo alcanza rápidamente velocidades extremadamente altas, especialmente cuando no requiere la aceleración del propio suministro de combustible y está limitado por la cantidad de propulsante químico disponible. Más aún, un dispositivo funcional es una prueba de concepto de las tecnologías de ingeniería del vacío, y cuando se vea que el campo de energía del punto cero es una fuente muy real de energía y de propulsión novedosa sin productos químicos (como el control de la gravedad), habrá una avalancha inevitable de interés por seguir desarrollando estas tecnologías y formalizar la física unificada que las sustenta, en la que la masa, la inercia, la gravedad e incluso la velocidad de la luz, se producen a partir de las propiedades de la densidad de energía del vacío cuántico.

Referencias

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