Mekanika kuantikoan, ezereza da edozer izateko potentziala
Nahiz eta saiatu, zientzialariek ezin dute erabat ezabatu espazio edo objektu baten energia. Baina “zero puntuko energia”ren benetako esanahia interpretatzeke dago.
Berdin dio zenbateko ahalegina egiten duzun kutxa bat husten. Zero puntuko energia geratzen da. Bideoa: DVDP / Quanta Magazine
Demagun kutxa bat hustu nahi duzula. Benetan hustu, osorik. Ikus daitekeen edukia kentzen duzu, gas guztiak ateratzen dituzu (zientzia fikziozko teknologiaren bat aplikatuz) eta material ikusezinak kanporarazten dituzu (hala nola materia iluna). Mekanika kuantikoaren arabera, zer geratzen da orduan barruan?
Tranpa galdera dirudi. Eta mekanika kuantikoan, dagoeneko erantzun engainagarria espero dugu. Kutxa energiaz beteta egoteaz gain, husteko egin dituzun ahalegin guztiek ia ez dute eraginik izan bertan dagoen energia kopuruan.
Hondakin ekidinezin hori “funtsezko egoerako energia” edo “zero puntuko energia” da. Oinarrizko bi formatan agertzen da: bata eremuei lotuta dago, hala nola eremu elektromagnetikoari, eta bestea objektu diskretuei, hala nola atomoei eta molekulei. Eremu baten bibrazioak moteldu ahal dituzu, baina ezin duzu erabat ezabatu bere presentziaren aztarna. Atomoek eta molekulek energia gordetzen dute zero absolututik hurbil arbitrarioki hozten direnean ere. Bi kasuetan, azpiko fisika berbera da.
Zero puntuko energia edozein egitura materialen edo gutxienez partzialki giltzapetuta dagoen objekturen ezaugarria da, hala nola molekula baten barruan eremu elektrikoen bidez atxikitako atomo bat. Egoera haran baten hondoan finkatu den bola batenaren antzekoa da. Bolaren erabateko energia honako hauek osatzen dute: energia potentziala (posizioarekin lotua) eta energia zinetikoa (mugimenduarekin lotua). Bi osagaiak baliogabetzeko xehetasunez finkatu beharko lirateke objektuaren posizioa eta abiadura, baina hori Heisenbergen ziurgabetasun printzipiok debekatutako zerbait da.
Zero puntuko energiaren existentziak maila sakonago batean esaten diguna mekanika kuantikoaren interpretazioaren araberakoa da azken batean. Eztabaidaezina den bakarra honako hau da: partikula multzo bat bere energia minimoko egoeran kokatzen bada eta posizioak edo abiadurak neurtzen badira, balioen dispertsioa ikusiko da. Energia kendu badiete ere, partikulak dardarka ari direla emango du. Mekanika kuantikoaren interpretazioan halaxe daude. Beste batzuetan, berriz, mugimenduaren itxura fisika klasikoaren aztarna engainagarria da, eta ez dago benetan zer gertatzen ari den irudikatzeko modu intuitiborik.
Zero puntuko energia Max Planck zientzialariak lehenengo aldiz aurkeztu zuen 1911n. Horren ostean, “Einstein izan zen, uste dut, lehen aldiz serio hartu zuena”, adierazi du Peter Milonnik, Rochesterreko Unibertsitatekoak, hutsune kuantikoa aztertzen duen teorikoak. Einsteinek eta beste batzuek zero puntuko energia erabili zuten hainbat fenomeno azaltzeko, besteak beste, molekulen dardara sotila eta kristal sareak, baita energia minimoko egoeretan ere, eta helio likidoa presio arruntean ez solidotzea, baita atomoak immobilizatuta geratzea espero litekeen tenperatura baxu-baxuetan ere.
Besteak beste, duela gutxiko adibide bat 2025ean argitaratu dute European X-Ray Free-Electron Laser Facilityko (Hanburgotik gertu) ikertzaileek. Iodopiridina hoztu zuten, 11 atomoz osatutako molekula organiko bat, ia zero absoluturaino, eta laser pultsu baten bidez bonbardatu zuten, lotura atomikoak hausteko. Taldeak deskubritu zuen askatutako atomoen mugimenduak lotuta zeudela, eta horrek adierazten zuen, izugarri hotz egon arren, iodopiridina molekula dardarka egon zela. “Hori ez zen esperimentuaren helburua hasieran”, azaldu Rebecca Boll instalazioko fisikari esperimentalak. “Labur esanda, aurkitu egin genuen”.
Beharbada, zero puntuko energiak eremu batean duen eraginik handiena Hendrik Casimirrek aurreikusi zuen 1948an, zeharka ikusi zen 1958an eta modu eztabaidaezinean neurtu 1997an. Elektronikoki neutroa den materialeko bi plakak (Casimirrek bi metal xafla paralelo gisa irudikatu zituen, baina beste forma eta sustantzia batzuk ere funtzionatzen dute) elkarren aurka indarra egiten dute. Casimirrek argudiatu zuen xaflak gillotina baten antzera arituko zirela eremu elektromagnetikoarentzat, uhin luzera handiko oszilazioak ezabatuz, zero puntuko energia aldaraziko lukeen modu batean. Azalpe onartuenaren arabera, xafletatik kanpoko energia nolabait handiagoa da haietatik kanpo dagoena baino, eta alde horrek eragiten du xaflek elkar erakartzea.
Eremu kuantikoetako teorialariek eremuak honela deskribatu ohi dituzte: oszilatzaileen multzo bat, bakoitza bere zero puntuko energiarekin. Eremu batean oszilatzaileen kopurua infinitua dago, eta, beraz, zero puntuko energia infinitua izan beharko luke. Fisikariak horretaz ohartu zirenean 1930eko eta 1940ko hamarkadetan, hasiera batean teoria zalantzan jarri zuten, baina handik gutxira infinituekin elkarbizitzen ikasi zuten. Fisikan (edo, gutxienez, fisikaren alor gehienetan), benetan garrantzitsua dena energia aldeak dira, eta kontuz badabiltza, infinitu bat ken diezaiokete beste bati, zer geratzen den ikusteko.
Hala ere, horrek ez du funtzionatzen grabitatearen kasuan. Dagoeneko 1946an Wolfgang Pauli ohartu zen zero puntuko energia kopuru infinitu batek (edo, gutxienez, erraldoi bat) unibertsoa leherrarazteko moduko grabitazio eremua sortu beharko lukeela. “Energia modu guztiek grabitatzen dute”, adierazi du Sean Carroll Johns Hopkins Unibertsitateko fisikariak. “Horrek barne hartzen du hutsaren energia; beraz, ezin da alde batera utzi”. Energia hori zergatik dagoen grabitatorioki motelduta oraindik ere misterioa da fisikarientzat.
Fisika kuantikoan, hutsaren zero puntuko energia arazo iraunkorra baino gehiago da, eta kutxa bat osorik hustea ezinezkoa izateko arrazoia baino zerbait gehiago. Ezer egon beharko ez lukeen tokia izan beharrean, edozer izateko gaitasuna duen ezereza da.
“Hutsaren alderik interesgarriena da eremu bakoitza, eta, beraz, partikula bakoitza, nolabait ordezkatuta dagoela”, aipatu du Milonnik. Elektroi bakar bat ere ez badago ere, hutsak “elektronizitatea” du. Hutsaren zero puntuko energia materiaren forma posible guztien eragin konbinatua da, oraindik deskubritu ez ditugun horienak barne.
Jatorrizko artikulua:
George Musser (2025). In Quantum Mechanics, Nothingness Is the Potential To Be Anything, Quanta Magazine, 2026ko urtarrilaren 5a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.