La increíble historia del vacío: del ‘vacío de terror’ a la física cuántica

¿Está vacío el hueco? La respuesta depende del nivel de sofisticación de la física a la que recurrimos.

Si nos limitamos a la física cotidiana de tocar, ver u oler, podríamos decir que no hay nada a nuestro alrededor. El aire es invisible y, en ese sentido, aparece “vacío”. Sin embargo, nuestra propia respiración contradice esa intuición: el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono en los pulmones depende de un fenómeno físico bien conocido, la difusión, por el cual las moléculas se mueven de regiones donde están más concentradas a otras donde están menos concentradas. Nuestra fisiología aprovecha que hay algo en lo que a primera vista no vemos nada.

Algo similar ocurrió en el largo viaje hacia la comprensión del vacío.

La naturaleza aborrece el vacío

Durante siglos, el pensamiento occidental estuvo influenciado por la idea de Aristóteles de que la naturaleza aborrece el vacío (el llamado horror vacui). Según esta concepción, si apareciera un vacío en alguna parte, la materia inmediatamente se apresuraría a llenarlo. La idea parecía razonable: en la vida cotidiana no encontramos espacios completamente desprovistos de materia.

Pero la física empezó a abandonar la especulación puramente filosófica cuando empezó a depender de experimentos cuantitativos.

En el siglo XVII, Galileo Galilei se interesó por un problema práctico: extraer agua de pozos profundos mediante bombas de succión. Este problema fue crucial para el drenaje de minas y el riego agrícola. Sin embargo, Galileo advirtió un límite intrigante: el agua no podía elevarse más de 10 metros mediante succión. ¿Por qué había ese límite?

Su alumno Evangelista Torricelli, en colaboración con Vincenzo Viviani, ideó un experimento en 1643 que proporcionó la pista decisiva.

El peso de la atmósfera.

Torricelli llenó con mercurio un tubo de vidrio de aproximadamente un metro de largo, lo cerró y lo invirtió sobre un recipiente que contenía el mismo metal. Cuando se quitó la tapa, el mercurio descendió parcialmente, pero no vació el tubo. Se estabilizó formando una columna de unos 760 milímetros de altura al nivel del mar.

Por encima del mercurio había una región transparente aparentemente vacía: el llamado “vacío de Torricelli”.

Torricelli también confirmó que la altura de la columna no depende de la forma del tubo ni del volumen del espacio superior. Esto indicó que el fenómeno no se debió a una “succión” desde el interior, sino a una presión ejercida desde el exterior.

La explicación fue revolucionaria: el mercurio se mantuvo vivo porque el aire que nos rodea tiene peso. La atmósfera ejerce presión sobre la superficie del mercurio en el recipiente, empujándolo hacia el interior del tubo.

Nació el primer barómetro.

En busca del vacío

El resultado fue confirmado unos años más tarde por Blaise Pascal. En 1648, su yerno Florin Perrier escaló el Puy de Dom, en el centro de Francia, con un barómetro. Observó que la altura de la columna de mercurio disminuía a medida que aumentaba la altitud.

La interpretación era clara: cuanto mayor era la altitud, menor era la cantidad de aire sobre nosotros y, por tanto, menor era la presión atmosférica.

La columna de mercurio estaba sostenida por el peso de la atmósfera. El experimento confirmó la existencia de presión atmosférica y una idea sorprendente: el espacio en la parte superior del tubo podría en realidad estar vacío de materia ordinaria.

bombas de vacío

Pero el estudio sistemático del vacío requirió instrumentos más sofisticados: bombas de vacío.

En 1650, el ingeniero alemán Otto von Gerike creó una de las primeras bombas capaces de extraer aire de contenedores. Su experimento más famoso tuvo lugar en 1654 en Magdeburgo: unió dos hemisferios metálicos huecos, extrajo aire de ellos y pidió a dos yuntas de caballos que tiraran en direcciones opuestas. Los animales no podían distinguirlos. Así demostró espectacularmente la enorme fuerza de la presión atmosférica.

Grabado de Gaspard Schott del experimento del hemisferio de Magdeburgo realizado por Otto von Gerike. Wikimedia Commons, CC BI

Pasaron varios años y los científicos Robert Boyle y Robert Hooke perfeccionaron el diseño de las bombas de vacío, lo que permitió realizar experimentos más controlados.

Boyle observó varios fenómenos reveladores. Dentro de la cavidad sin aire, tocó el timbre y descubrió que no sonaba. Encendió la vela y vio que se apagaba. Y por terquedad o curiosidad, introdujo diferentes animales, notando que era imposible que un insecto alado pudiera volar. También notó que era imposible que un ratón o un pájaro respiraran. El vacío cobró consistencia y la idea pasó del campo científico a la cultura popular.

Detalle del cuadro de Joseph Wright Experimento con un pájaro en una bomba de vacío. Wikimedia Commons, CC BI

La fascinación por estos experimentos ha ido más allá del ámbito científico. El cuadro Experimento con un pájaro en una bomba de vacío, del británico Joseph Wright de Derby, es una demostración pública de los efectos del vacío sobre un pájaro, símbolo del impacto cultural de estos descubrimientos.

La base de los rayos X.

El vacío también jugó un papel clave en el descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Konrad Roentgen en 1895. Los tubos de rayos catódicos utilizados en estos experimentos requerían un vacío muy alto. Si quedara demasiado gas en el interior, los electrones perderían energía al chocar con las moléculas de aire antes de alcanzar su objetivo metálico.

El desarrollo de mejores técnicas de vacío permitió avances decisivos en la física atómica y electrónica.

Sin embargo, la mayor sorpresa la daría la física cuántica del siglo XX.

El vacío cuántico no está vacío

En física clásica, se entiende por vacío la ausencia de materia. Pero la teoría cuántica de campos lo describe como el estado de energía más bajo posible de los campos fundamentales que llenan el universo.

Incluso en ausencia de partículas reales, estos campos sufren fluctuaciones inevitables debido al principio de incertidumbre. Estas fluctuaciones pueden interpretarse como la aparición efímera de pares de partículas y antipartículas llamadas partículas virtuales.

No se pueden detectar directamente (si pudiéramos, dejarían de ser virtuales), pero sus efectos son mensurables.

Un ejemplo notable es el efecto Casimir, predicho en 1948 por Hendrik Casimir y medido con precisión en 1997 por el equipo de Steve K. Lamorois.

Si colocamos dos placas de metal extremadamente cerca una de otra en el vacío (separadas por distancias del orden de micrómetros o nanómetros), las fluctuaciones cuánticas permitidas entre ellas son menos numerosas que en el exterior. Esta diferencia crea una pequeña presión neta que junta las placas.

Una analogía útil es la vibración de la cuerda de un violín: las condiciones en los extremos determinan qué notas son posibles. De manera similar, las losas confinan los modos vibratorios del campo cuántico.

El vacío cuántico tiene propiedades físicas mensurables.

Un vacío lleno de física

Hoy sabemos que el vacío está relacionado con algunos de los conceptos más profundos de la física moderna como el campo de Higgs, responsable de la masa de muchas partículas elementales; la constante cosmológica, asociada a la energía del vacío y la expansión acelerada del universo, y la electrodinámica cuántica, una de las teorías más precisas jamás probadas experimentalmente.

Un panorama histórico muestra una ironía interesante: Aristóteles estaba equivocado en los detalles pero tenía razón en espíritu. El vacío nunca ha demostrado ser mera nada.