Simulan por primera vez en 3D cómo la luz interactúa con el vacío cuántico: luz desde la nada
¿Qué pasaría si pudieras encender la luz en plena oscuridad, sin cables ni bombillas, solo con vacío? Físicos de Oxford han simulado por primera vez cómo la luz surge del vacío cuántico en 3D y tiempo real.
Por Enrique Coperías
Intersección de haces láser simulando la mezcla de cuatro ondas en el vacío cuántico, donde la luz emerge de la nada debido a la polarización de pares virtuales de electrones y positrones. Imagen generada con DALL-E
Durante siglos, el vacío fue concebido como la absoluta ausencia de todo: un escenario silencioso e inerte donde no ocurre nada. Pero la física cuántica cambió radicalmente esa visión.
Según sus leyes, lo que llamamos vacío es en realidad un hervidero de partículas virtuales que emergen y se desvanecen en un parpadeo cuántico. Y bajo las condiciones adecuadas, esa nada puede empezar a comportarse como una especie de medio óptico, capaz incluso de generar luz a partir de la oscuridad.
En un avance sin precedentes, un equipo internacional liderado por físicos de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, en colaboración con el Instituto Superior Técnico de Lisboa, en Portugal, ha logrado simular por primera vez en tres dimensiones y en tiempo real cómo la luz interacciona con este vacío cuántico.
El estudio, publicado en la revista Communications Physics, marca un hito tanto para la física teórica como para los experimentos de próxima generación con láseres ultraintensos.
La mezcla de cuatro ondas: cuando la luz genera más luz
La simulación recrea un fenómeno tan extraordinario como real, predicho por la electrodinámica cuántica: la mezcla de cuatro ondas en el vacío. Este efecto, que hasta ahora se consideraba inalcanzable en laboratorio, supone que tres haces láser ultraintensos pueden alterar las fluctuaciones del vacío de tal forma que logran generar un cuarto haz de luz.
El efecto es como si se encendiera una lámpara en plena oscuridad, sin que existiera materia de por medio.
«La idea de que los fotones —las partículas de luz— puedan interactuar entre sí y producir luz desde la nada suena como ciencia ficción, pero es una predicción legítima de la física cuántica —explica Zixin Lily Zhang, autora principal del estudio y doctoranda en el Departamento de Física de Oxford. Y añade—: Gracias a nuestro modelo computacional, ahora tenemos una ventana tridimensional y en tiempo real para observar estas interacciones, algo que antes estaba completamente fuera de nuestro alcance».
Láseres ultraintensos, la nueva frontera experimental
El logro no se produce en el vacío —literal y metafóricamente—. Coincide con el inicio de una nueva era tecnológica marcada por la construcción de instalaciones láser con potencias jamás alcanzadas.
✅ El Reino Unido avanza en el desarrollo del Vulcan 20-20, capaz de generar hasta 20 petavatios (PW).
✅ Europa ya cuenta con la infraestructura ELI (Extreme Light Infrastructure), que opera en Rumanía.
✅ China trabaja en el colosal SHINE y en su Estación de Luz Extrema (SEL), con un haz previsto de 100 PW.
✅ Estados Unidos ultima el OPAL, un sistema con dos haces de 25 PW cada uno, en la Universidad de Rochester.
Estos sistemas tienen como objetivo común estudiar fenómenos que hasta ahora solo podían imaginarse en papel. Entre ellos, precisamente, el experimento de mezcla de cuatro ondas en el vacío, que ya ha sido seleccionado como una de las tres pruebas estrella para el OPAL.
Pero diseñar y ejecutar tales pruebas requiere precisión absoluta: desde la forma del pulso láser hasta la sincronización del momento de interacción. Y aquí entra en juego el simulador desarrollado por el equipo de Zhang.
El Vulcan 20-20 es un láser ultraintenso del Reino Unido, diseñado para alcanzar 20 petavatios de potencia, y se utilizará para estudiar interacciones extremas entre luz y materia en experimentos de física de alta energía. Cortesía: UKRI
OSIRIS, una simulación avanzada para física de láseres y vacío cuántico
El núcleo del trabajo es un avanzado código de simulación, construido sobre el software OSIRIS, uno de los más robustos en física de plasmas. Lo que lo distingue es su capacidad para modelar efectos cuánticos mediante una formulación semi-clásica basada en el lagrangiano de Heisenberg-Euler. Desarrollada por Werner Heisenberg y Hans Heinrich Euler en 1936, esta teoría describe cómo el vacío reacciona como un medio no lineal ante campos electromagnéticos extremos.
A diferencia de simulaciones anteriores más limitadas, este nuevo modelo permite introducir varios haces láser con formas y características complejas —no solo los haces ideales que suelen usarse en teoría— y seguir con precisión su comportamiento completo en el espacio y a lo largo del tiempo.
Gracias a esto, los investigadores pudieron modelar tanto la birrefringencia del vacío —un fenómeno donde la polarización de la luz se modifica al pasar por un campo fuerte— como la mezcla de cuatro ondas.
Lo más espectacular llegó con la mezcla de cuatro ondas
En las simulaciones, la precisión fue de tal calibre que las predicciones para el efecto de birrefringencia mostraron desviaciones inferiores al 3% respecto a las fórmulas teóricas más avanzadas.
Pero lo más impresionante llegó con la mezcla de cuatro ondas: no solo se generó el haz de luz esperado, sino que se pudieron observar con gran detalle fenómenos poco estudiados, como el momento exacto en que el haz se estabiliza mientras se propaga (asíntotas temporales) o cómo su forma se vuelve ligeramente ovalada en lugar de perfectamente simétrica, debido a la geometría del cruce de los haces láser (deformación astigmática del haz).
«Este trabajo no es solo un ejercicio académico. Se trata de un gran paso hacia la confirmación experimental de efectos cuánticos que hasta ahora eran puramente teóricos”, afirma Peter Norreys, profesor del Departamento de Física de Oxford y coautor del estudio. Y continúa—: Estas simulaciones son exactamente lo que se necesita para preparar experimentos reales con los nuevos sistemas láser».
Más allá de la teoría: una brújula para la exploración
Uno de los mayores valores del simulador es su capacidad para aportar detalles realistas que pueden guiar el diseño experimental: duración del pulso, forma del haz, geometría del cruce de haces, velocidades de propagación, estimación del número de fotones generados e incluso la predicción de la ventana de detección óptima para los sensores.
«Por ejemplo, hemos visto que la luz generada alcanza una velocidad del 99% de la luz, y que tarda solo 0,34 nanosegundos en recorrer 10 centímetros desde el punto de interacción. También pudimos calcular que la ventana de tiempo para detectarla es de apenas 21 femtosegundos —explica Zhang en un comunicado de la Universidad de Oxford.
En palabras de este físico, «dicho nivel de detalle es esencial para experimentos que buscan señales débiles entre un mar de ruido de fondo».
Además, la simulación reveló que incluso pequeñas asimetrías en el ángulo de entrada de los haces afectan a la forma del haz resultante, y produce efectos como el citado astigmatismo: el haz de luz generado no es perfectamente redondo, sino más ancho en una dirección que en otra, como si se hubiera aplastado un poco.
Estos matices, imposibles de capturar en modelos más simplificados, serán clave para interpretar correctamente los resultados experimentales.
De la física cuántica a la materia oscura
El impacto del trabajo va más allá de confirmar predicciones de la formulación semiclásica de la electrodinámica cuántica. Según los autores, este tipo de herramientas también puede ayudar a buscar señales de partículas hipotéticas como los axiones o las partículas con carga fraccionaria, candidatas a explicar la materia oscura.
«Una amplia gama de experimentos planeados en instalaciones láser de vanguardia se beneficiarán enormemente de nuestro nuevo método computacional implementado en OSIRIS —destaca el profesor Luis Silva, investigador del Instituto Superior Técnico de Lisboa y también profesor visitante en Oxford. Y continúa—: La combinación de láseres ultraintensos, detección de última generación y simulaciones como esta abre nuevas fronteras para la física fundamental».
El siguiente paso va más allá del vacío
Una de las fortalezas del modelo es que puede ampliarse para incluir la presencia de materia, como electrones y plasmas, lo que lo convierte en una herramienta versátil también para la física aplicada. Incluso se ha sugerido su uso para estimar niveles de ruido por dispersión Compton en futuros experimentos con láseres.
Zhang anticipa nuevos desafíos: «Ahora que hemos demostrado que el modelo funciona con haces gaussianos realistas, queremos explorar configuraciones aún más exóticas, como los haces con momento angular orbital o los pulsos de enfoque volador. El potencial es enorme».
En definitiva, este trabajo no solo ilumina los misterios del vacío cuántico, sino que se convierte en un faro para quienes, desde los laboratorios más avanzados del mundo, se preparan para lanzar haces de luz hacia la nada… con la esperanza de que, por un instante, esa nada responda. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Oxford
Fuente: Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I. et al. Computational modelling of the semi-classical quantum vacuum in 3D. Communications Physics (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8
