HORROR VACUI

HORROR VACUI

Se define el vacío como la ausencia total de materia y de energía en una región del espacio. Así podemos tener diferentes grados de vacío que se determinan comparando la presión en una determinada región o recipiente respecto a la presión atmosférica. Hoy día la tecnología permite generar vacíos muy altos, por ejemplo en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. En los tubos de ese acelerador de partículas, donde se inyectan protones para hacerlos colisionar unos con otros, se consigue generar y mantener un vacío de 10^-13 atmósferas. Se mantiene a lo largo de todo el sistema de tubos del acelerador, cerca de 54 km. El vacío es mayor que el que existe en el espacio intergaláctico. En este último hay trazas de materia, rayos cósmicos y la radiación cósmica de fondo. Solo esta última ya tiene una temperatura de 2,7 K.

El LHC requiere electroimanes muy potentes, pero para que estos funcionen deben estar muy fríos. Además se necesita un alto vacío en los tubos para que las partículas aceleradas no choquen contra nada excepto contra ellas mismas. La temperatura en los tubos y el sistema de electroimanes del acelerador es de 1,9 K, menor que la del espacio exterior. Aparte de esta maravilla de la tecnología, como la generación de un vacío tan alto para un experimento tan grande y delicado, hay muchos procesos industriales que se realizan en vacío porque su eficiencia en dichas condiciones es mayor. Procesos como, por ejemplo, la creación de polímeros en superficies, el coloreado de vítreos o la producción de metales de gran pureza es mejor hacerlos en un medio que se encuentra a muy baja presión, es decir, de alto vacío. En ingeniería, las técnicas que trabajan con el vacío han tenido un gran desarrollo.

El vacío ha sido una idea recurrente desde los primeros intentos del hombre por estudiar y comprender la naturaleza. La idea introducida por Aristóteles de que la naturaleza aborrecía el vacío dominó el pensamiento científico durante siglos. Según está concepción no era posible generar el vacío porque la naturaleza se encargaba de rellenarlo de algún modo. No fue hasta el siglo XVII, siguiendo ideas propuestas por Galileo, que Torricelli demostró científicamente que el vacío era posible. Ahora bien, ese vacío no podía ser total. Debía contener alguna sustancia muy sutil que hiciera de medio transmisor de las ondas lumínicas. Buena parte de la Física del siglo XIX estuvo dominada por los intentos de detección de este "éter", un resabio de aristotelismo que se resistía a morir.

Las revoluciones relativista y cuántica de principios del siglo XX cambiaron para siempre nuestras concepciones del vacío. El éter desapareció de escena pero lo que dejó tras de sí no fue una nada absoluta sino el vacío entendido como un estado de los sistemas físicos, probablemente definido y con el que se puede interactuar.

La Física moderna define el vacío como el estado de mínima energía de los sistemas cuánticos. Pero este vacío no es algo inerte, está en permanente cambio con continuas fluctuaciones que varían su energía arriba y abajo de forma que su promedio siempre sea el valor que esperamos para un estado de mínima energía. Estas fluctuaciones se pueden interpretar como aparición de partículas desde el vacío y su posterior reabsorción en el mismo. En cierto sentido, el vacío da una energía en préstamo que se expresa en forma de partículas y luego se reintegra al vacío. Este proceso de creación y desaparición está permitido por las leyes cuánticas que establecen que el tiempo en el que esas partículas están presentes es muy corto y tanto menor cuanto más energía se haya sustraído del vacío para generarlas. Por su misma naturaleza, estas fluctuaciones no son observables directamente. La teoría predice al mismo tiempo su existencia y su característica de no observables.

La situación parece poco esperanzadora para los investigadores: sin embargo, la propia Física nos proporciona medios indirectos para poder observar fenómenos que, sin tener en cuenta el papel que juega el vacío con ellos, no tendrían explicación.

Es importante clarificar qué se entiende por vacío en la concepción moderna de la Física. La definición clásica de región con total ausencia de materia ya no nos sirve porque a la luz de la Física contemporánea materia y energía son aspectos distintos de una misma entidad. Así que el vacío del que hablamos hace referencia a una región del espacio donde hemos eliminado toda partícula y toda energía. Pero el vacío cuántico no coincide con la nada filosófica porque la Física cuántica muestra que hay una cantidad de energía, la mínima que puede tener un sistema físico, que no puede ser extraída. Los sistemas físicos tienen un mínimo de energía y a ese estado se le denomina vacío. Además, ese vacío se encuentra en permanente fluctuación.

Hoy en dia, se puede asegurar que el vacío es un elemento esencial en la definición del comportamiento de los sistemas cuánticos como, por ejemplo, la versión cuántica del campo electromagnético. Desde el punto de vista cuántico, los campos se pueden estudiar como conjuntos de partículas asociadas a los mismos: cada campo tiene una o varias partículas asociadas con distintas características según el campo del que se trate. Se encuentran partículas con cargas eléctricas, partículas neutras, partículas que se mueven a la velocidad de la luz o que no puede moverse a dicha velocidad, etcétera. Así, el vacío, el estado de mínima energía, está asociado también al estado en el que tampoco hay presentes partículas asociadas a a los campos descritos por la Física cuántica.

Hay formas de interactuar con el vacío para que revele sus fluctuaciones y la energía que contiene. Hay propiedades del comportamiento de los átomos que dependen de la existencia de un vacío con estructura que modifica la interacción de núcleos y electrones, dejando una huella que se puede medir experimentalmente. De hecho, la Ciencia está empeñada en mostrar que se pueden extraer partículas del vacío si se les inyecta la energía necesaria. La constatación experimental de que se pueden generar partículas del propio vacío será un avance sorprendente y maravilloso. La Física teórica dice que es posible, así que es cuestión de tiempo que se encuentre la tecnología que haga posible este experimento.

El vacío cuántico se ha revelado como el ingrediente esencial para entender una cuestión tan básica como la que concierne a la pregunta de por qué algunas partículas tienen masa. Ahora sabemos que la masa de las partículas que nos conforman, y por lo tanto nuestra propia masa, tiene su origen en dos formas de vacío, el vacío del campo de Higgs y el vacío que se encierra dentro de protones y neutrones. Una magnífica prueba, que se está confirmando experimentalmente, de la influencia del vacío en la Física más fundamental.

Pero sin duda alguna, lo más asombroso que podemos afirmar sobre el vacío es que hoy en día hay muchas sospechas de que nuestro Universo apareció desde el vacío y que está tendiendo al mismo. Las teorías sobre el origen y evolución del Universo que están recibiendo mayor respaldo de la comunidad científica por ser las que mejor responden a las observaciones cosmologicas más recientes, determinan que las propiedades de nuestro cosmos son compatibles con que haya surgido del vacío. Si se confirmara esta premisa supondría una revolución a muchos niveles y por ello se están haciendo grandes esfuerzos para aclarar esta línea de investigación.

Por supuesto, este no es un tema cerrado ni mucho menos, pero el avance en el estudio del Universo y su origen parece indicar que la idea del vacío como generador de Universos es muy factible. Hace ya unas décadas se demostró que vivimos en un Universo que se expande aceleradamente y parece que la causa de esa aceleración es una energía que genera gravedad repulsiva: la famosa energía oscura. Aunque todavía no sabemos cómo se origina esta energía ni cómo se comporta exactamente, sabemos que está asociada al vacío y que, a día de hoy, está determinando la evolución del Universo.

Otra cuestión acerca del vacío que sorprendió a los físicos de mediados del siglo XX fue que en determinadas situaciones no se puede definir para todos los observadores. Es decir, cuando un determinado observador, algo o alguien que puede hacer medidas físicas y que tiene un determinado estado de movimiento, determina que existe un estado de vacío cuántico en una región del espacio-tiempo, puede que otro observador vea dicho estado repleto de partículas. Eso es lo que ocurre, por ejemplo, en los agujeros negros, dando lugar a la conocida como radiación Hawking. Sin embargo, este fenómeno concreto no es más que una versión de una familia de fenómenos físicos asociados a esta falta de definición global del vacío cuántico para todos los observadores en determinadas circunstancias.

Enfrentarse al vacío cuántico es situarse en la frontera de muchas de las ramas de la Física más fundamental. Podemos asegurar sin temor a equivocarnos que solo hemos descubierto una mínima parte de las sorpresas que nos va a deparar el estudio del vacío. Hoy por hoy, muchas de las investigaciones en campos como la Física de partículas, la Física gravitatoria y la Cosmología están íntimamente relacionadas con el concepto de vacío porque éste permea cada rincón de la Física más básica. Cualquier avance que se haga en las teorías fundamentales de la naturaleza afectará al concepto de vacío y seguramente vendrá de su mano.

Sin duda hemos recorrido un largo camino desde el "horror vacui" aristotélico hasta nuestros días. La humanidad ha pasado de creer que la naturaleza aborrece el vacío a encontrar que dicho concepto, matizado por la Física cuántica, juega un papel esencial en nuestro entendimiento del Universo desde el nivel más básico de la materia hasta la estructura a gran escala del cosmos. Mucho queda por hacer, mucho queda por estudiar y por investigar en este terreno.

Es importante insistir en que la visión que tenemos del vacío cuántico aún es incipiente. Quedan muchos elementos que todavía no conocemos relacionados con la estructura de la materia que podrían cambiar de una manera radical nuestro entendimiento actual del vacío. Pero no se puede obviar el hecho de que vivimos en una época donde es ineludible enfrentarse al vacío y explorar todas las consecuencias derivadas de su definición. Las preguntas que quedan por resolver van desde la estabilidad del vacío, si este podría cambiar con desastrosas consecuencias, hasta la existencia de múltiples vacíos en los que se pueden desarrollar diferentes Universos con diferentes leyes físicas y con una composición de campos y partículas diversa.

Nuestra capacidad tecnológica para hacer experimentación fundamental que nos ayude a dilucidar la naturaleza y el comportamiento del vacío está llegando a su límite. Pero la humanidad ha mostrado una y otra vez que los límites científicos y tecnológicos están para superarlos. La energía que necesitamos para explorar cuestiones relativas al vacío cuántico, su relación con la masa de las partículas o con el propio origen del Universo es mucho mayor que la que podemos generar y mantener. Pero en un futuro próximo, de una forma u otra, nos enfrentaremos cara a cara con el vacío y desentrañaremos todos sus secretos.

Es una historia inconclusa que deja más preguntas que respuestas...por ahora.