El vacío del espacio no está realmente vacío

Si sacas absolutamente todo lo que contiene un vaso, una botella o una caja, lo que te queda no es la nada, es el vacío. Pero el vacío está lleno de cosas.

Imagina un vaso con cierta cantidad de agua. Hasta la mitad de su altura, por ejemplo. Habrá quien opine que el vaso está medio vacío y quien opine que está medio lleno. Ambas se equivocan, por supuesto, porque el vaso está completamente lleno. Y si nos bebiéramos el agua que contiene, seguiría completamente lleno. Lleno de nitrógeno, oxígeno, argón y otros gases; lleno de aire. Incluso aunque consiguiéramos sacar todo el aire del vaso, hasta la última molécula y el último vaso, seguiría lleno. Lleno esta vez de fotones, porque al estar a cierta temperatura (unos 20 ºC si lo tenemos dentro de casa) emitirá radiación electromagnética. Luz, para los amigos. De la misma forma que una estrella emite luz o un trozo de metal muy caliente tiene un brillo rojizo, este vaso emitiría luz. En concreto luz infrarroja, que nuestros ojos no son capaces de percibir, pero que nuestras cámaras de visión nocturna sí.

Pues bien, el origen de esta luz es la temperatura del propio vaso. Cuanto más caliente esté, más energética será la luz emitida. Por tanto deberíamos poder enfriarlo hasta que la luz emitida tenga energía 0. Es decir, hasta que no se emita luz. Esto lo conseguiríamos al llegar a la temperatura mínima posible, conocida como “0 absoluto”, que equivale a unos -273 ºC, o 0 K (0 kelvin, sin añadir “ grados”). Según lo que sabemos, es imposible alcanzar esta temperatura (al menos en un número finito de pasos, por lo que para conseguirlo necesitaríamos un tiempo infinito). Pero bueno, supongamos que tras sacar el agua y el aire del vaso conseguimos saltarnos la tercera ley de la Termodinámica, la que nos impide llegar al 0 absoluto. En ese caso ¿cómo estaría nuestro vaso, lleno o vacío? Efectivamente, contra toda intuición, el vaso estará lleno. No sé si “lleno” es la palabra correcta para definir el interior del vaso, pero lo que es seguro es que no estará vacío. Contendrá algo.

Esto es porque, energéticamente hablando, al universo le sale rentable llenar el vacío de cosas antes que dejarlo completamente vacío. Un universo vacío tendría más energía que uno lleno de ciertas cosas. Llamamos vacío a este estado porque en el momento de ponerle nombre pensábamos que estaba realmente vacío. En la actualidad definimos el vacío como el estado con menor energía de una determinada región del espacio.

Antes de seguir necesitas entender dos conceptos. El primero es que uno de los muchos campos de estudio de la física es el de los cambios de estado. Un cambio de estado es la transición entre dos configuraciones diferentes que puede tener un mismo sistema y esa transición suele tener lugar cuando hay un cambio en la temperatura. Por ejemplo el agua cuando se congela o se evapora, o un imán cuando sobrepasa su temperatura de Curie.

Pierre Curie, que ganó el premio Nobel de física en 1903 junto a Marie Curie y Henri Becquerel, descubrió a finales del siglo XIX que al calentar un cuerpo ferromagnético (un imán, básicamente) lo suficiente llega un momento en que pierde su magnetismo, deja de ser un imán, volviendo a serlo al enfriarse.

El segundo concepto del que quería hablarte es que la dirección de un imán, la dirección de su campo magnético es en principio aleatoria. Ese campo magnético no es más que la suma de los campos magnéticos de cada átomo individual. Cuando el campo magnético de todos sus átomos esté alineado, es decir apuntando en la misma dirección, el imán estará en una configuración estable, en la configuración de menor energía posible. Cuando esto ocurra los diferentes campos magnéticos atómicos se retroalimentarán, dando el campo magnético macroscópico del imán. Pero cualquier dirección es igualmente válida. Al fin y al cabo a los átomos del imán les da lo mismo apuntar hacia la izquierda o la derecha.

Imagina que tuviéramos al imán en un estado en el que el campo magnético de cada átomo apuntara en una dirección distinta. A nivel microscópico no detectaríamos campo magnético, pues los minicampos se contrarrestarían entre sí. Si ahora “soltamos” el imán, para que caiga a una configuración de menor energía, estos campos atómicos simplemente caerán en una configuración determinada y, en principio aleatoria, quedando todos alineados. Este estado inicial, en el que cada átomo apunta en una dirección distinta, se consigue llevando al material ferromagnético por encima de su temperatura de Curie. Al dejarlo enfriar, el imán “cae” al estado en que sus imanes atómicos se alinean, recuperando su magnetismo.

De manera similar, si calientas lo suficiente el universo, tendrá la energía (recuerda la famosa fórmula de Einstein, la que nos dice que energía y masa son equivalentes: E=mc2) suficiente como para crear diferentes tipos de partículas. Podrá crear partículas de tipos y en cantidades diferentes en función de la energía que tenga. Podrá crear quarks, electrones, gluones, fotones… lo que sea. Y cuando lo dejes enfriar, el universo no tendrá más remedio que caer a la configuración con la menor energía posible. Pero esta configuración no será una en la que todas las partículas se aniquilan entre sí y nada queda, no.

Supón por un momento que los quarks up y down (“u” y “d”), los constituyentes de protones y neutrones, fueran partículas sin masa. Entonces si no interactuaran entre sí, al universo le costaría exactamente cero energía llenar el espacio de ellos. Pero la cosa es aún mejor, porque interactúan atrayéndose, es decir, su estado de mínima energía tiende a juntarlos por tanto al universo le supondrá menos energía llenar el espacio de quarks u y d que dejarlo vacío. No podrá llenarlo completamente de estas partículas, porque entonces entrarían en acción principios de la física cuántica que lo impiden. Habrá una densidad concreta de quarks que será la óptima. Y habrá incontables mixes posibles de este tipo de partículas. Al universo le dará igual qué mix escoger, no habrá un estado preferente pues todos tendrán menor energía que dejar al universo vacío. Es decir, al enfriarse el universo y caer a un estado de mínima energía, tendrá diferentes estados entre los que elegir, todos equivalentes.

Te suena, ¿no? Es lo que pasaba con el imán. Pues bien, cualquiera de estos estados a los que caiga el universo de manera espontánea al enfriarse, será la energía del vacío. Serán aquellas cosas que llenan el vacío. Por supuesto en nuestro universo, los quarks u y d no tienen masa 0, pero sí tienen una masa muy pequeña, por lo que toda la explicación dada se complica, pero sigue siendo válida.

 

REFERENCIAS:

S.E. Rugh & H. Zinkernagel , 2000, The Quantum Vacuum and the Cosmological Constant Problem, Studies in History and Philosophy of Modern Physics, vol. 33 (2002), 663-705, DOI:10.1016/S1355-2198(02)00033-3

F. Wilczek, 1994, 1012 degrees in the shade, The Sciences, Jan./Feb. pp. 22-30,

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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