¿Existe el vacío?

Hacia 1630 el gobernador y capitán de arqueros de Génova, Giovanni Baliani, se enfrentaba a un importante problema del que dependía el suministro de agua a la ciudad. Llevarla le obligaba a construir una tubería por encima de una colina y la manera habitual de salvar los desniveles del terreno era utilizando el principio del sifón. Por desgracia para el pobre Baliani, en sus tuberías el sifón se negaba a funcionar. Preocupado, mandó llamar a su amigo Galileo. El pisano se percató enseguida de que el problema podía estar relacionado con un reciente descubrimiento suyo: el vacío. Galileo lo había obtenido tirando de un pistón situado en la base de un cilindro cerrado, en lo que es la primera referencia histórica que tenemos a la obtención de un vacío artificial.

En sus experimentos Galileo se dio cuenta de que el esfuerzo realizado para sacar el pistón del cilindro era mayor cuando lo dejaba unido a la base que si dejaba un pequeño espacio entre ambos. Atribuyó esta resistencia a una oscura “fuerza del vacío” debida a que, como decía Aristóteles, la Naturaleza lo aborrece. La altura máxima de diez metros era, pues, el límite de esta fuerza. Lo que se veía incapaz de explicar era por qué el horror al vacío tenía ese punto máximo y no otro. Es más, ¿por qué debía tener un máximo?

En 1639, incapaz de encontrar una solución satisfactoria, lo puso en manos del joven Evangelista Torricelli, que a su vez habló con sus amigos de Roma. Dos años más tarde uno de ellos, un matemático de Roma del que poco se sabe llamado Gasparo Berti, dio el primer paso hacia la solución del rompecabezas. Diseñó un instrumento consistente en un largo tubo de plomo terminado en una gran bola de vidrio que, lleno de agua, fijó en la fachada de su casa. El extremo inferior, abierto, lo introdujo en un balde con agua mientras que el superior lo mantenía cerrado con la bola de vidrio. Al destapar el tubo el nivel de agua caía hasta alcanzar una altura de diez metros sobre el nivel del agua del balde.

El misterio del vacío

Berti contó a Torricelli su descubrimiento y éste reprodujo el experimento sustituyendo el agua por mercurio; al ser más denso podía reducir el aparato a dimensiones más manejables. En este caso el mercurio no superaba los 76 centímetros de altura. Torricelli tuvo la osadía intelectual de advertir que tan extraordinario comportamiento podía explicarse si suponía que la atmósfera ejercía una presión efectiva sobre el balde de mercurio. La consecuencia es obvia: nuestra cabeza soporta todos los días del año el peso de la columna de gas que tiene encima. Lo mismo ocurre en la superficie de mercurio del balde. La columna de gas que tiene encima va a presionar sobre el mercurio y únicamente podrá salir parte del que se encuentra tubo. ¿Cuánto? Hasta que la presión ejercida por el peso de la columna de mercurio sea igual al de la columna de aire: justo 76 centímetros. Pero lo más fascinante era el espacio que quedaba libre de mercurio dentro del tubo.

El vacío de Torricelli hizo que los ojos de muchos científicos se volvieran hacia él. En la mente de bastantes se tenía la secreta convicción de que sería un poderoso elemento de apoyo para descorrer el tupido velo que ocultaba el misterio de la materia. Para estudiarlo solo se necesitaba que alguien inventara una bomba de vacío eficaz. Ese alguien fue el burgomaestre de Magdeburgo, una de las figuras más sorprendentes del siglo XVII. Jurista, matemático e ingeniero, Otto von Guericke fue un científico aficionado cuyas contribuciones a la ciencia están a la altura de los grandes de la época. Persona de considerables recursos económicos, hacía las cosas a lo grande, gastándose elevadas cantidades de dinero en sus experimentos. Guericke era un copernicano convencido y se preguntaba qué era lo que llenaba el espacio. No es de extrañar que las experiencias de Torricelli le señalaran el camino a seguir.

Un famoso experimento

En 1646 intentó producir el vacío como casi todo el mundo, extrayendo el agua del interior de un tonel cerrado con una bomba de succión, pero escuchó cómo el aire se infiltraba. Luego lo intentó con un tonel de cobre, pero implosionó. Finalmente lo consiguió con una esfera de metal y una nueva bomba de aire. Diseñada y construida por él, necesitaba del trabajo intenso de dos hombres durante varias horas para extraer el aire del interior del recipiente. Guericke comprobó la elasticidad del aire en el interior de la vasija y la enorme fuerza que ejerce la atmósfera sobre un recipiente cuando se ha reducido la presión en su interior. Este descubrimiento le sirvió para realizar uno de los experimentos más famosos de la historia cuando, en la plaza de Magdeburgo y en presencia del emperador y su corte, demostró que dos tiros de 16 caballos fueron incapaces de separar los dos hemisferios de una esfera metálica en cuyo interior había hecho el vacío. Entonces, ¿qué era el vacío? Simplemente un volumen de espacio del que hemos eliminando todos los gases que contuviera.

Del éter a la teoría cuántica

A fines del siglo XIX, y con la teoría electromagnética de Maxwell bien asentada, el vacío desapareció de la física. La razón: el éter, un fluido indetectable, extremadamente rígido pero muy sutil, que llenaba el todo el universo, hasta el rincón más diminuto. ¿Por qué los físicos pensaron que algo tan increíble podía existir? Porque lo necesitaban para explicar cómo se propagaban las onda electromagnéticas por el espacio. Sin embargo, los resultados del experimento de Michelson-Morley en 1887 constituyeron la primera prueba sólida de que el éter no existía. Para entonces, el concepto de vacío había sido mejorado: podía conseguirse sacando toda la materia de un volumen dado y luego enfriándolo a la temperatura de cero absoluto (-273 ºC), lo que elimina de la zona toda radiación o energía. El único problema era que el cero absoluto es imposible de alcanzar, luego el debate seguía sin resolverse.

La llegada de la mecánica cuántica revolucionó el concepto de vacío: no se consigue sacando hasta la última brizna de aire, hasta la última migaja de materia, hasta la más mínima hebra de energía, porque hacer eso es imposible. La razón detrás de ello es el principio de indeterminación de Heisenberg pues según él es imposible decir que podemos conocer con precisión la energía de un sistema en un instante determinado de tiempo. En realidad, lo que asegura este principio es que es imposible eliminar toda la energía que contiene un sistema; siempre quedará un resto que se conoce como la energía del punto cero. Esto hace que debamos reformular el concepto de vacío como ausencia de materia y energía, pues algo así no existe; debemos definir el vacío como aquel estado que posee el valor de energía más bajo posible. A esta energía que no podemos eliminar por ningún medio se conoce como la energía del vacío.

Del vacío al universo acelerado

Pero esta no es la única sorpresa que nos depara el vacío: también puedes “tomar prestada” cierta cantidad de energía y crear una partícula, siempre y cuando la devuelvas antes de que se cumpla el corto tiempo límite del “préstamo” definido por la relación de indeterminación -y que es más efímero cuanto mayor sea la cantidad de energía prestada-. El escritor científico Isaac Asimov lo explicaba con la siguiente analogía: en una clase hay un alumno bastante trasto que cada vez que se vuelve el profesor para escribir en la pizarra le gusta hacer de las suyas. Si no causa mucho alboroto (lo que en el mundo cuántico corresponde a una situación donde interviene una pequeña cantidad de energía), como sacar la lengua, lo podrá hacer durante un intervalo de tiempo significativamente largo. 

Sin embargo, hacer otras proezas como ponerse de pie encima del pupitre (mucha energía), le exige hacerlo muy rápido para que el profesor no le pille. Así que podemos crear materia de la nada en forma de una partícula y su correspondiente antipartícula. que desaparecen antes de que podamos detectarlas: por eso se las llama partículas virtuales. ¿Entonces qué es el vacío cuántico? Un hervidero de partículas que aparecen y desaparecen continuamente bajo el gobierno inapelable de la relación de Heisenberg: cuanto más pesada sea la partícula, menos tiempo podrá existir. Ahora bien, a finales del siglo XX sucedió algo que nadie se esperaba: que el hecho de que el vacío cuántico tenga una densidad y presión definidas tiene consecuencias en la evolución del universo.

En 1997 dos equipos de astrónomos descubrían que el universo se expande aceleradamente por culpa de una misteriosa energía oscura de la cual no se tenía ni idea de su existencia, pero que muy pronto los físicos teóricos la asociaron a la densidad de energía del vacío. Y entonces llegó el susto. Cuando los astrónomos calcularon la cantidad de energía oscura necesaria para que el universo acelerara, encontraron un número que nadie era capaz de explicar. Expresada en unidades apropiadas, la densidad de energía oscura es extremadamente pequeña:

0,0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000138.

El problema es que cualquier teoría actual predice para la densidad de energía del vacío un valor que es 1060 –un 1 seguido de 60 ceros– mayor que el observado: estamos ante el pronóstico más desastroso de la ciencia y uno de los problemas fundamentales de la física del siglo XXI.