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» » La Nada: La turbulenta vida del espacio vacío

Los físicos luchaban por deshacerse del éter y aceptar el vacío, hasta que vino la teoría cuántica y volvió a rellenar el vacío con una energía inimaginable.

"La naturaleza aborrece el vacío". Este sentimiento, que apareció primero en la filosofía griega hace unos 2500 años, continúa excitando el debate entre los científicos y filósofos. El concepto de un verdadero vacío, además de inducir a una sensación de náuseas y ataques a muchas personas, resulta incluso absurda y sin sentido. Si dos cuerpos están separados por nada, ¿no deberían estar en contacto? ¿Cómo puede el "vacío" mantener las cosas separadas, o tener propiedades como tamaño o límites?

A pesar de que continúan luchando con estas ideas, nuestra idea del vacío ha avanzado. El espacio vacío es más rico que la mera ausencia de las cosas, y desempeña un papel indispensable en la mayor parte de la física moderna.

Incluso entre los antiguos griegos, el vacío provocaba lealtades divididas. Una influyente línea de pensamiento, aparece primero en la obra del filósofo Parménides, en el siglo -V, y hoy día más comúnmente asociada con Aristóteles, sostenía que el espacio vacío está realmente lleno de un medio invisible. Los defensores rivales de la teoría atómica, entre ellos Leucipo y Demócrito, no estaban de acuerdo. En su opinión, el cosmos consistía de un vacío ilímitado, poblado por pequeñas partículas indestructibles, o átomos, que se reunían en varias combinaciones para formar los objetos materiales.

Tales debates metafísicos eran habituales entre los filósofos de la Edad Media y más adelante. El surgimiento de la ciencia moderna en el siglo XVII hizo poco por arreglarlo. El inglés Isaac Newton, igual que Aristóteles, pensaba que el espacio entre los cuerpos debía estar llenado por un medio, aunque de una especie inusual. Debía ser invisible, pero también sin fricción, como los surcos de la tierra en su viaje alrededor del sol, sin encontrar resistencia.

Newton apeló a esta sustancia como si fuera un marco de referencia para sus leyes del movimiento. Se preveía, por ejemplo, que un planeta que girara como la Tierra, experimentaría una fuerza centrífuga que abultaría su ecuador. Este efecto proporcionaba una prueba física de la rotación del cuerpo, sin embargo, como tal rotación, y por lo tanto la existencia de una fuerza, sólo tenía sentido si había un cierto marco absoluto de reposo, un punto de vista estacionnario frente al que contrastar el movimiento. Esto, dijo Newton, era el medio invisible que llenaba el espacio.

Su rival, el alemán Gottfried Leibniz, no estaba de acuerdo. Sostenía que todo movimiento, incluido la rotación, sólo podía ser dirimido en relación con otros cuerpos del universo, por ejemplo, las lejanas estrellas. Un observador en el carrusel del espacio profundo vería las estrellas dando vueltas y, al mismo tiempo, sentir una fuerza centrífuga. Según Leibniz, si las estrellas se desvanecieran, seguiría sintiendo esa fuerza, no habría necesidad de un medio invisible entremedio.

La posición de Leibniz fue sostenida con fuerza en el siglo XiX por el ingeniero y filósofo alemán Ernst Mach, cuyo apellido nombra los números Mach que miden la velocidad supersónica de un avión. Su propuesta era que las fuerzas centrífugas y los efectos mecánicos relacionados son causados ​​por la acción gravitatoria de la materia distante del universo. Albert Einstein estuvo fuertemente influenciado por las ideas de Mach cuando formulaba su famosa teoría de la relatividad, y se decepcionó al encontrar que el principio de Mach no emergió de ella. En la teoría de Einstein, por ejemplo, se predecía que el giro de un agujero negro provocaría un ecuador abultado, aun cuando no existiera otro objeto.

Durante el siglo XIX, la naturaleza del espacio vacío comenzó a ocupar el pensamiento de los físicos en un nuevo contexto: el misterio de cómo un cuerpo cargado siente la atracción de otro, o cómo dos imanes sienten la presencia del otro. La explicación del químico y físico, Michael Faraday, fue que los cuerpos cargados o magnéticos creaban unas regiones de influencia, campos, alrededor de ellos, que otros cuerpos experimentan como una fuerza.

Pero, ¿qué son exactamente estos campos? Una de las formas que a los físicos de la época les gustaba explicar era invocando un medio invisible que llenaba todo el espacio, justo lo que Newton había hecho. Los campos eléctricos y magnéticos pueden ser descritos como las tensiones de este medio, como los estiramientos de un bloque de goma. Este medio fue conocido como éter, y tuvo una enorme influencia en la ciencia del siglo XIX. También fue muy popular entre los espiritistas, al quienes les gustaba los fantasmas, e inventaban nociones oscuras sobre un "cuerpo etérico" que sobrevivía a la muerte. Cuando James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en la década de 1860, aquello proveyó de un hábitat natural para las ondas electromagnéticas, tal como su teoría predecía, cosas como las ondas de radio y luz.

Hasta ahí, todo bien. Poco después de que Maxwell publicara su teoría, sin embargo, resurgía de nuevo el viejo problema del movimiento. Incluso si nuestro planeta no sintiera la fricción al deslizarse a través del éter, cualquier movimiento relativo con ello debería producir todavía efectos medibles. El más notable es que la velocidad de la luz dependería de la velocidad y dirección del movimiento de la Tierra. Los intentos por detectar experimentar esto, mediante la comparación de la velocidad de los haces de luz en las diferentes direcciones, no encontraron ningún efecto.

En este punto, Einstein llegó al rescate. Su teoría de la relatividad, publicada en 1905, sugiere que el movimiento de un cuerpo siempre debe ser juzgado en relación con otro cuerpo, y nunca con el espacio mismo ni con tensiones invisibles que llenen el espacio. Los campos eléctricos y magnéticos existen, más allá de cualquiera tensiones que llenen el espacio el espacio. Su fuerza y ​​dirección, y las fuerzas que ejercen, cambian con el movimiento del observador, de manera que la velocidad de la luz que se mide es siempre a la misma, independientemente de cómo se mueva el observador. Por lo que el éter es una complicación innecesaria. Si bien es cierto que, una región del espacio ocupada por un campo eléctrico o magnético no está vacío, el fuego fatuo de las "cosas" que contiene, está muy lejos de lo que normalmente consideramos como materia. Estos campos poseen energía y ejercer presión, pero no están hechos de nada sustancial.

La ruptura cuántica

No obstante, una década más o menos después, un nuevo giro al problema de espacio vacío empezó a ver una luz diferente. Surgió de las entrañas de la teoría de la mecánica cuántica. A nivel de los átomos, la previsibilidad de relojería del universo clásico de Newton se rompió, para ser reemplazada por una extraña serie de reglas alternativas. Una partícula como un electrón, por ejemplo, no se mueve de A a B a lo largo de una trayectoria definida con precisión. En un momento dado, su posición y movimiento será, hasta cierto punto, incierto.

Lo cierto para un electrón es cierto para todas las entidades físicas, incluidos los campos. Un campo eléctrico, por ejemplo, fluctúa en intensidad y dirección, como resultado de la incertidumbre cuántica, incluso si el campo, en general, es igual a cero. Imagine una caja que no contiene cargas eléctricas, de hecho, no contiene otra cosa que vacío, y está hecha de metal, por lo que no hay campo eléctrico que penetre desde fuera. Según la mecánica cuántica, todavía habrá un irreductible campo eléctrico dentro de la caja, surgiendo a veces de una manera, a veces de otra. En general, estas fluctuaciones dan de promedio cero, por lo que una medición en crudo no podrá detectar actividad eléctrica alguna. Pero una medición cuidadosa a nivel atómico, sí lo hará.

Nos encuentramos en un punto importante. A pesar de que los promedios de fluctuaciones de la intensidad de campo sea cero, la energía no es así, porque la energía de un campo eléctrico es independiente de su dirección. Entonces, ¿cuánta energía hay en una caja vacía de un tamaño determinado? Unos cálculos rápidos sobre la base de la teoría cuántica conducen a una conclusión aparentemente sin sentido: no hay límite. El vacío no está vacío. De hecho, contiene una cantidad infinita de energía.

Los físicos descubrieron una solución a este enigma, pero sólo cuando hacían una pregunta diferente. Si usted tiene dos cajas de metal de diferente tamaño o forma, ¿cuál es la diferencia entre sus energías de vacío cuántico? La respuesta resulta ser muy pequeña. Pero no tan pequeña que no se pueda medir en un laboratorio, demostrando de una vez por todas que las fluctuaciones cuánticas son reales, y no sólo una loca predicción teorética.

Así pues, la concepción moderna es que el vacío es un hervidero fermentado de actividad de campo cuántico, con agitadas ondas aleatorias a un lado y a otro. En la mecánica cuántica, las ondas también tienen características de partículas, por lo que el vacío cuántico se representa a menudo como un mar de partículas de corta vida, los fotones para el campo electromagnético, los gravitones para el campo gravitacional, y así sucesivamente, apareciendo de la nada y luego desapareciendo otra vez. Ya sea con ondas o partículas, la imagen del vacío que uno obtiene se parece en algunos aspectos al éter. De ninguna manera nos proporciona ese marco especial con el que contrastar los cuerpos que se mueven, pero se que llena todo el espacio vacío y tiene propiedades físicas medibles, como la densidad y presión de energía.

Uno de los aspectos más estudiados del vacío cuántico es su acción gravitatoria. Ahí fuera en el cosmos hay una inimaginable cantidad de espacio, y todo él, presumiblemente, lleno de fluctuaciones cuánticas de vacío. Todas esas partículas entrando y saliendo de la existencia deben pesar algo. Tal vez esa masa es suficiente para contribuir a la poder total gravitatorio del universo, tal vez, de hecho, lo suficiente como para abrumar la gravedad de la materia ordinaria.

Encontrar la respuesta es una tarea exigente. Debemos tener en cuenta no sólo para los campos electromagnéticos, sino todos los campos de la naturaleza, y no podemos estar seguros de haber precisado todos todavía. No obstante, podemos deducir fácilmente uno de los resultados generales. En el caso de que la presión del vacío cuántico sea negativa (una presión negativa es una tensión), el efecto gravitatorio es también negativo. Es decir, con presión negativa de vacío cuántico, las fluctuaciones sirven para crear una fuerza repulsiva o anti-gravitatoria.

Einstein predijo en 1917 que el espacio vacío tendría un efecto anti-gravitacional, antes que la mecánica cuántica. No pudo cuantificar la intensidad de esa fuerza, y más tarde, abandonó la idea. Pero nunca se alejó por completo. Bajo los envolventes cálculos actuales se sugiere que la presión del vacío cuántico, de hecho, debería ser negativa en un espacio con la geometría de nuestro universo.

Efectivamente, hace unos 15 años comenzaron a acumularse más evidencias a resultas de las observaciones de lejanas supernovas, de que una gran fuerza anti-gravitacional podían ser la causa de que el universo entero esté expandiéndose cada vez más rápido. El invisible vacío cuántico, ese "éter", se supone que, al menos sea parcialmente responsable, aunque haya sido recientemente rebautizado como "energía oscura". El trabajo que llevó a este descubrimiento consiguió que el galardón este año para los astrofísicos Saul Perlmutter, Adán Riess y Brian Schmitt, del premio Nobel en física.

Mientras que la mecánica cuántica nos da una forma de comenzar el cálculo, la comprensión adecuada de la fuerza de la energía oscura y de las propiedades que probablemente requerirá una nueva física, quizá proveniente de la teoría de cuerdas, o de algún otro intento por unificar todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluyendo la gravedad (la sempiterna extraña), ha de venir bajo una misma idea.

Una cosa está clara. La idea de que el espacio es un mero vacío sin propiedades físicas ya no es sostenible. Puede que la naturaleza aborrezca el vacío absoluto, pero el vacío cuántico lo abarca con gusto. Esto es algo más que una sutileza semántica. Dependiendo de cómo funciona la energía oscura, el universo puede continuar en una expansión fuera de control, culminando en un universo de oscuro vacío en el que se diluyen la materia y la radiación a niveles ínfimos, o puede colapsar sobre sí mismo en una gran implosión ("big crunch"). El destino del universo, al parecer, se encuentra en las propiedades del vacío.

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Editor del blog Pedro Donaire

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