¿QUÉ ES EL VACÍO?

Desde que tenemos noticias, la humanidad se ha preguntado acerca de la sustancia que, fuera de nuestra atmósfera, llenaba los cielos y “sostenía” los astros en su perfecto orden, descartando por ello la posibilidad de que no existiese nada.

Aristóteles decía en su obra sobre Física (siglo IV a. C.) que los cielos se mueven de forma natural e infinita siguiendo un complejo movimiento circular, por lo que deben, conforme con la lógica, estar compuestos por un quinto elemento (quintaesencia), que él llamaba éter, diferenciándolo de los otros cuatro elementos (aire, fuego, agua y tierra), únicos componentes admitidos para todas las sustancias terrestres. Según su filosofía, dicho elemento superior no es susceptible de sufrir cambio alguno, salvo que sea el de lugar, realizado por medio de un movimiento circular. La teoría aristotélica afirma que el movimiento siempre se lleva a cabo a través de un medio de resistencia y es, en realidad, válida para todos los movimientos terrestres observables, por lo que cabe esperar que así ocurra también en los cielos. Está claro que en estos planteamientos no cabe la idea del vacío.

El británico Robert Hooke, en el siglo XVII, volvió a poner de actualidad la idea de la existencia del éter, entendiéndolo como un fluido sutil que llenaba los espacios interestelares al igual que los pequeños intersticios moleculares de la materia. Al éter le cupo el destino de ser el medio de propagación de las distintas fuerzas a distancia, atribuyéndosele a cada una de ellas, gravitación, electricidad, magnetismo, e incluso a los rayos luminosos y calóricos, un diferente tipo de éter.

Después de que el francés Fresnel demostrase el carácter ondulatorio de la luz, en la primera mitad del siglo XIX, y de que los trabajos de Maxwell y Hertz en la segunda mitad del siglo XIX confirmaran su naturaleza electromagnética, el único tipo de éter admitido fue el lumínico, que servía de soporte para la transmisión de las radiaciones electromagnéticas. Sin embargo las propiedades que se le atribuían eran contradictorias, por eso su existencia real fue ampliamente discutida. Así, Lord Kelvin afirmaba que si el éter fuera comparable a un gas, al rozar con los cuerpos celestes carentes de atmósfera, como nuestra Luna, debería adquirir una temperatura de 38.000 ºC y producir ciertas alteraciones de las órbitas planetarias. Como los astrónomos no observaron esto, concluyeron que la densidad del éter era tan pequeña que se escapaba a toda medición. Por el contrario, si la velocidad de la luz, cercana a 300.000 km/s, se alcanzaba mediante oscilaciones transversales de las partículas de éter, sólo sería posible si este medio tuviese una dureza incluso mayor que la del acero.

En 1887, Albert Michelson y Edward Morley diseñaron un experimento para medir la velocidad de la Tierra con respecto al éter. Para ello dividieron un haz de luz en dos haces que se propagaban formando un ángulo recto y los hicieron interferir, obteniendo un diagrama característico de franjas claras y oscuras. Si la Tierra y, por tanto, el aparato, se moviera respecto al éter, la velocidad de los haces sería distinta, igual que la velocidad de un barco que va río arriba y después río abajo difiere de la de un barco que cruza el río. La diferencia de velocidades de los haces modificaría el diagrama de interferencia. Sin embargo, no se halló ninguna modificación.

Éste y otros fracasos en la detección del movimiento de la Tierra en el éter llevaron años después a Albert Einstein a desarrollar la teoría de la relatividad restringida en 1905, con lo que se abandonó finalmente la hipótesis del éter. En dicha teoría se presenta una concepción revolucionaria del espacio-tiempo, cuadridimensional, de modo que tanto las interacciones electromagnéticas y las gravitatorias no necesitan soporte material para propagarse, sólo son alteraciones que modifican las propiedades del espacio-tiempo.

Albert Einstein

El modelo de Rutherford (1911) aboga por un átomo constituido por una zona central (luego llamada núcleo), con los protones, y unos electrones mucho más pequeños, casi dos mil veces, orbitando alrededor. Ahora bien, entre ellos y los protones no habría nada, sólo “espacio” vacío, algo difícil de asimilar por esa época. No obstante, el modelo de Böhr (1913) y sobre todo el de la mecánica cuántica de Schrödinger (hacia 1927) permitieron profundizar en el concepto de vacío.

Así, en 1928, Paul Dirac introdujo los efectos relativistas en la ecuación de ondas de Schrödinger que describe el comportamiento del electrón en el átomo y, al calcular las soluciones de la energía, obtuvo la expresión E^2 = m^2 c^4, de la que se deriva E = ± m c^2.

E es la energía cinética relativista cuando se toma con signo positivo, pero no tiene sentido real con el signo negativo. Dirac propuso que el vacío estaba constituido por un mar de electrones de energía negativa, con todos los niveles ocupados. De este modo, no los podemos observar, puesto que no se pueden producir transiciones entre dichos niveles completamente llenos. Sin embargo, en un momento dado, un fotón de alta energía es posible que colisione con uno de dichos electrones y en ese instante lo hace “visible” al comunicarle la suficiente energía como para que el electrón pase a un nivel de energía positivo. Al mismo tiempo que detectamos el electrón en el “mundo real”, éste habrá dejado un “hueco” en los niveles de energía negativos que lo interpretaremos como la aparición de otra partícula, de masa igual a la del electrón, pero con carga positiva, el positrón.

La hipótesis de Dirac fue confirmada muy pocos años más tarde, en 1932, cuando Carl Anderson y Robert Millikan, del Instituto de Tecnología de California, detectaron al positrón en los rayos cósmicos. No sólo el electrón tiene su antipartícula, sino que ese mismo concepto acerca de la estructura del vacío cabe extenderse al resto de las partículas. De tal manera que hablamos así de la existencia de la antimateria, constituida por las partículas simétricas.

Desde hace algún tiempo, el estudio del mundo subatómico ha vivido un importante avance con la teoría de la electrodinámica cuántica desarrollada por el físico japonés Tomonaga, los físicos estadounidenses Julian S. Schwinger y Richard Feynman y el físico de origen británico Freeman Dyson, completada con la cromodinámica cuántica de Yang y Mills. Desde el punto de vista de las fuerzas, estas teorías llevan a una nueva idea del vacío. Las interacciones entre dos partículas materiales se describen por el intercambio de otras partículas, llamadas virtuales, que son consecuencia de la polarización del vacío. Éste se considera similar a un medio dieléctrico y se supone la existencia en él del denominado campo de Higgs. Por causa de las fluctuaciones cuánticas, las partículas de intercambio, como los fotones virtuales, por ejemplo, en su interacción con el bosón de Higgs se materializan en una pareja electrón-positrón que luego de nuevo se aniquilan mutuamente, volviendo a arrojar un fotón virtual.

Para tener una representación mental del concepto del vacío tendremos que observar que el vacío no es lo mismo que la nada. El vacío es una región del espacio en la que no hay materia ni energía detectable en un cierto intervalo de tiempo, pero en la idea de la nada no existe ni tiempo ni espacio y se nos escapa a nuestro entendimiento. De ahí que sea posible, al menos desde un punto de vista matemático, explicarnos el vacío como el citado campo de Higgs que sirva para manifestar la masa de las partículas a través de su interacción, haciendo que éstas sean detectables o que “aparezcan” en ese momento.

Peter Higgs en Mayo de 2008

Hace casi dos años que fue detectado el bosón de Higgs en el Gran colisionador de Hadrones del CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) de Ginebra (Suiza) en el rango de altas energías esperado y se está preparando un nuevo experimento para confirmar definitivamente la existencia de dicha partícula, aportando el avance fundamental en la comprensión de la naturaleza del vacío.

Vista aérea del CERN

Esquema general del Gran Colisionador de Hadrones del CERN