En 1947, el físico Paul Dirac caminaba por los pasillos del St. John’s College en Cambridge mientras se debatía cómo podía algo “vacío” estar tan lleno de cosas. La paradoja del vacío cuántico, lejos de haber sido resuelta, sigue dando pasos hacia lo que parece ciencia ficción: hoy, un equipo de investigadores de las universidades de Oxford y Lisboa ha logrado simular en tres dimensiones, y en tiempo real, cómo ese vacío puede generar luz.
No es un juego de palabras. El nuevo trabajo publicado en Communications Physics demuestra que, bajo ciertas condiciones, el espacio aparentemente vacío puede comportarse como un medio activo capaz de emitir un nuevo rayo de luz. No se trata de una fantasía especulativa, sino de un modelo numérico robusto, respaldado por ecuaciones de la electrodinámica cuántica y ejecutado en una supercomputadora con precisión milimétrica.
Un vacío lleno de partículas fantasmas
Cuando en física hablamos de “vacío”, no nos referimos a la nada absoluta, sino a un estado de mínima energía según la mecánica cuántica. En él, partículas y antipartículas surgen y desaparecen constantemente en pares, como si el universo no pudiera estarse completamente quieto. A estas se les llama “partículas virtuales” porque no pueden detectarse directamente, pero dejan huella en fenómenos como el efecto Casimir o la polarización del vacío.
El nuevo estudio se centra en un fenómeno particularmente exótico: la mezcla de cuatro ondas en el vacío cuántico. En palabras del propio artículo, se trata de una interacción donde “tres haces de láser con perfiles gaussianos generan en conjunto una cuarta onda electromagnética que cumple con la conservación de energía y momento”. Es decir, tres haces de luz pueden hacer que surja un cuarto a partir de la propia estructura del vacío.
Este fenómeno ha sido predicho teóricamente desde hace años, pero ahora se ha conseguido modelar de forma computacional con una resolución sin precedentes. El logro no solo permite visualizar cómo ocurre esta transformación, sino que allana el camino para intentar replicarla en un experimento real.
OSIRIS: una ventana al vacío cuántico
El equipo ha utilizado una versión ampliada del código OSIRIS, un programa de simulación ampliamente empleado en física de plasmas. Esta versión incorpora las ecuaciones no lineales derivadas de la Lagrangiana de Heisenberg-Euler, que describe cómo se comportan los campos eléctricos y magnéticos cuando se introducen correcciones cuánticas.
Según explican los autores, “el solver evalúa y propaga los campos utilizando las ecuaciones de Maxwell no lineales derivadas de la Lagrangiana de Heisenberg-Euler”. Esta formulación permite modelar la respuesta del vacío cuántico cuando se lo somete a láseres de altísima intensidad. Lo importante aquí es que la simulación no solo calcula el resultado final, sino que permite seguir todo el proceso paso a paso, observando cómo se forma el nuevo pulso de luz en tiempo real.
A diferencia de modelos anteriores, que hacían suposiciones simplificadas como haces infinitamente planos o distribuciones ideales, este modelo integra perfiles realistas de los láseres, incluyendo su anchura, duración y ángulo de incidencia. De este modo, la simulación puede servir como base para preparar experimentos reales en instalaciones como la Extreme Light Infrastructure (ELI) en Europa o el proyecto Vulcan 20-20 en el Reino Unido.
Luz desde el vacío: lo que reveló la simulación
En el experimento digital, tres haces de láser inciden sobre una misma región del espacio en una configuración geométrica precisa. La simulación muestra cómo se genera un cuarto haz, con una frecuencia diferente, que emerge como resultado de la interacción con el vacío cuántico. La energía no se crea de la nada, sino que se redistribuye entre los haces originales y el nuevo haz, en cumplimiento de las leyes de conservación.
El artículo señala que “el pulso generado también presenta una forma gaussiana, y está polarizado a lo largo del eje z, en consonancia con las predicciones teóricas”. Lo llamativo es que este pulso no solo aparece en el punto de interacción, sino que se propaga como cualquier otro rayo de luz, aunque con ciertas peculiaridades.
Por ejemplo, los investigadores observaron que el pulso resultante es ligeramente astigmático: tiene una anchura diferente según el eje transversal en el que se mida. Esto se debe a la geometría de interacción entre los haces incidentes. “El ancho del pulso de salida es ligeramente mayor en la dirección y que en z, debido a la forma asimétrica del solapamiento entre haces”. Este tipo de detalles, que no se obtienen en modelos más simples, son clave para planificar experimentos reales.
Resumen divulgativo para gente sin tiempo
¿Sabías que el “vacío” no está tan vacío? Aunque lo parezca, el espacio entre las cosas está lleno de partículas invisibles que van y vienen en silencio. Lo que han hecho ahora unos científicos es usar una simulación para demostrar que, si apuntamos tres haces de luz muy potentes hacia un punto concreto del vacío, puede aparecer un cuarto rayo de luz de forma espontánea. Como si al chocar tres chorros de agua en el aire, surgiera uno nuevo en otra dirección, sin cañería ni grifo.
No han usado espejos ni superficies: solo luz y vacío. Es una forma de decir que el espacio puede “hacer cosas” si lo empujamos lo suficiente. Esto no solo confirma una predicción de la física cuántica, sino que podría ayudar en el futuro a buscar pistas de cosas aún más misteriosas, como la materia oscura. Es decir, todo esto sirve para entender mejor ese universo oculto que, aunque no veamos, está ahí.
Una herramienta para explorar nueva física
Además de confirmar un fenómeno predicho por la teoría cuántica, la simulación ofrece datos muy útiles para el diseño experimental. Por ejemplo, el modelo permite estimar la duración exacta del pulso de salida, su tiempo de llegada a un detector, y su intensidad máxima. Esto es esencial si se quiere construir un experimento con sensores temporizados que detecten el pulso cuando emerge.
Pero hay más. Este tipo de interacción podría utilizarse también para buscar partículas hipotéticas que formarían parte de la materia oscura, como los axiones. Según los autores, “estas simulaciones podrían ayudar a buscar signos de partículas hipotéticas como los axiones y partículas con carga fraccionaria”. La capacidad de inducir efectos en el vacío cuántico ofrece una forma novedosa de explorar territorios que escapan a la física de partículas tradicional.
Otro hallazgo interesante del estudio es que el pulso generado alcanza una velocidad de propagación muy cercana a la de la luz, exactamente el 99 % de la velocidad de la luz en el vacío. Esto confirma que, aunque el proceso de generación es cuántico, una vez formado, el pulso se comporta como cualquier otro fotón, lo que facilita su detección experimental.
Un paso previo a la comprobación experimental
A lo largo del artículo se insiste en que no se trata de una verificación experimental, sino de una simulación precisa que puede orientar el diseño de pruebas reales. Es un paso intermedio, pero fundamental, entre la teoría pura y la física experimental. Gracias a este trabajo, ahora es posible saber con mayor exactitud qué condiciones deben cumplirse para que el vacío genere luz, cómo medirla y cuánto durará ese fenómeno.
Este avance llega justo cuando una nueva generación de láseres ultraintensos comienza a estar operativa. Instalaciones como ELI en Europa, SEL en China o el sistema OPAL en Estados Unidos dispondrán en los próximos años de la potencia necesaria para reproducir las condiciones simuladas.
Aunque este fenómeno ya se había buscado en experimentos anteriores, como el intento fallido de 2000 mencionado en el artículo, la precisión alcanzada por esta simulación marca un cambio de etapa. Ya no se trata de experimentar a ciegas, sino de hacerlo con una hoja de ruta que indica cómo, cuándo y dónde puede emerger ese rayo nacido del vacío.
La frontera entre lo invisible y lo medible
Lo que hace especial a este trabajo no es solo lo que predice, sino cómo lo predice. A través de un modelo físico numérico sólido, implementado con gran detalle, se han recreado por primera vez en 3D los efectos del vacío cuántico bajo condiciones extremas de campo electromagnético.
Este tipo de estudios nos acerca a una idea inquietante: que el vacío no es solo el telón de fondo de la realidad, sino un actor dinámico con propiedades propias. En palabras de los autores, “el solver permite obtener información en tiempo real y en regiones próximas al foco, lo que facilita investigaciones detalladas de las firmas cuánticas en el vacío”.
Que podamos provocar luz en el vacío usando únicamente luz nos obliga a repensar conceptos básicos como energía, materia y espacio. No es una exageración afirmar que estamos ante un paso más hacia una nueva física experimental de lo invisible.
Referencias
- Zixin Zhang, Ramy Aboushelbaya, Iustin Ouatu, Elliott Denis, Abigail James, Robin J. L. Timmis, Marko W. Von Der Leyen, Peter A. Norreys, Rui Torres, Thomas Grismayer, Luis O. Silva. Computational modelling of the semi-classical quantum vacuum in 3D, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02128-8.
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