El Vacío perfecto no existe

Habiendo llegado un mensaje a esta pagina de los alumnos de 2º de Física de una Universidad Española, nos piden que hagamos un  comentario que verse sobre el Vació y hagamos un poco de historia. Como el principal motivo de esta pagina es el de divulgar la Física y la Astronomía, no tenemos inconveniente alguno en prestar dicha colaboración y, para ello, nos hemos documentado y hacemos este primer comentario (muy breve) y otro posterior de mas amplitud que, esperamos les pueda ser de utilidad a dichos alumnos.

De eso que llamamos “vacío” surgen partículas virtuales que aparecen y desaparecen de inmediato para volver

El vació comienza con un concepto filosófico en la Antigua Grecia. La primera noticia corresponde a Demócrito de Abdera (460-400 a. de C.), quien razonando sobre la naturaleza de la materia concluye que esta formada por átomos y vació, pensamiento que permanece hasta Aristóteles (384 a 322 a. de C.)que, con su concepto de la extensión del cuerpo físico, niega la existencia del vació. El Renacimiento científico con Baliani, Bert y Torricelli, pero en controversia con Galileo, demuestra la existencia del vació como espacio exento de aire.

En el espacio, nadie puede escucharte gritar. Esto es así porque en el espacio no hay aire: es un vacío. Las ondas de sonido no pueden viajar a través del vacío. Sin embargo, allí hay mucho, lo de vacío es una forma de hablar y referido sólo al aire respirable.

 

Pascal define el concepto de presión. Otto von Guericke inventa la bomba de “aire” (bomba de vació) y es perfeccionada por Boyle y Huygens. Se despierta el interés por la descarga eléctrica y se entra en el siglo XIX con la utilización del mercurio como fluido de bombeo y la invención del manómetro de compresión de McLeod, descubrimiento de los rayos catódicos, los rayos X y el electrón. Queda abierto el camino para el gran desarrollo durante el siglo XX y el advenimiento del ultra alto vació.

Hacer un recorrido serio por la historia del vació, desde Grecia hasta finales del siglo XIX, nos obligaría a recorrer un largo camino hasta llegar al Renacimiento Científico  del s. XVI y XVII y detallar todos y cada uno de los descubrimientos que se pudieron hacer a lo largo de ese tramo de la Historia.

                                En los laboratorios se hicieron experimentos con bombas de vacío

Fueron muchos los progresos que se hicieron posible a partir del s. XVIII, durante esa centuria fueron cuatro los centros de difusión y desarrollo de la ciencia y la tecnología del Vació: Florencia, la Haya, Londres y Oxford. Ya en el siglo XIX, podemos considerar que prevaleció el mercurio y la teoría. El mercurio se convierte en el elemento básico como fluido de bombeo en las nuevas bombas y con vació final que llegan a los 10^-5  milímetros de mercurio al finalizar el siglo del siglo. La obtención de vacíos mas bajos y controlados abre el campo de la teoría de los gases que, sin ser exhaustivo, resumidos en: John Dalton (1776-1844) y la ley de proporciones múltiples.

La Ley de Amadeo Avogadro (1776-1856) y la determinación del numero de moléculas en el volumen. John James Weterston (1811-1883) y el concepto cinético de presión. William Ramsey (1852-1916), composición del aire, descubrimiento de gases nobles. Rudolf Julios Emanuel Clausius (1822-1888) Que desarrolla la Mecánica Estadística. Luwdwig Boltzmann (1844-1906), la constante universal de los gases y la teoría de los micro estados. James Clerk Maxwell (1831-1879) que desarrolla la teoría cinética de los gases. ¿Se podía pedir más al desarrollo del estudio teórico de los gases en esa época?

En el vacío existen fuerzas

El impacto del vació en el desarrollo de la Física moderna ha sido grande y de una importancia capital para las nuevas tecnologías y materiales durante los comienzos del siglo XIX, ya que, tuvo una gran incidencia en su desarrollo, especialmente en el descubrimiento del electrón y los rayos X, y, desde luego, serian muchos mas los datos y acontecimientos y personajes que deberíamos poner aquí. Al mismo tiempo que se desarrolla la Ciencia y la Técnica del Vació, se utiliza como herramienta para inventar o desarrollar dispositivos o procesos en vació.

Todos sabemos que no fue Edison el inventor y que abusó de la idea de un genio como Tesla

Edison en 1879 inventa la lámpara de incandescencia con filamentos de carbón y utiliza la bomba de Sprengel modificada. En 1852 W.R. Grove da evidencia del proceso de pulverización catódica. Mediante la descarga el material del cátodo es transferido y depositado sobre una placa pulida. Proceso que con las innovaciones introducidas se sigue ampliamente utilizando en nuestros días. En 1882 Dewarl describe el método para almacenar líquidos criogénicos. En 1887 el físico alemán Karl Ferdinand Braun  (1850-1918) basándose en el tubo de rayos catódicos inventa el osciloscopio.

Los principios básicos de la Ciencia y Tecnología del Vació han sido establecidos y queda abierto el campo al tremendo desarrollo que experimento durante el siglo XX y el gran impacto que tuvo en el desarrollo de la Ciencia.

emilio silvera

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                   Todo lo que pase el Horizonte de Sucesos habrá hecho el viaje de irás y no volverás

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro universo: los agujeros negros. Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contra), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce  una ondulación en la curvatura del espacio-tiempo que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transportan de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del universo. Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler,  = 1’62 × 10^{-33 cm}, es la escala de longitud por debajo de la cual es espacio, tal como lo conocemos, deja de existir y se convierte en espuma cuántica. El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler, o aproximadamente 10⁴³ segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2’61 × 10^-66 cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío; esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e in-eliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

                             Fluctuación cuántica, el vacío, lo que llamamos vacío, está lleno a rebosar

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor infinita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2 – 10^-7 pascales. Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultra-alto.

Los secretos que la Naturaleza esconde

No puedo dejar de referirme al vacío theta (vacío θ), que es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados. Esto significa que el vacío theta es análogo a una función de Bloch* en un cristal. Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido. Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido. El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teoría gauge fuertemente interaccionantes, como la cromo-dinámica cuántica.

En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menos contenido de galaxias que el promedio, o ninguna galaxia. También solemos llamarlo vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala. Estas regiones son, a menudo (aunque no siempre), esféricas.

El Gran Vacío, Vacío Boötes es una región enorme y casi esférica del espacio, que contiene muy pocas galaxias.  Tiene unos 250 millones de años luz de diámetro (casi el 0.27% del diámetro del universo visible),

 o unos 236,000 Mpc3 en el volumen, el Vacío Boötes es uno de los mayores vacíos conocidos

 en el universo, y nos referimos a el como un super-vacío. El centro del Vacío Boötes esta a unos 700 millones de años luz de la Tierra. 

 

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar. Cuando esté totalmente preparado para ello, os lo contaré; el mensaje permanece escondido fuera de nuestra vista*.

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada. Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (m), la longitud (l) y el tiempo (t). Utilizando estas dimensiones, la velocidad, que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones l/t, y la aceleración tendrá dimensiones l/t². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones mlt^-2. En electricidad, en unidades SI, la corriente, I, puede ser considerada como dimensionalmente independiente, y las dimensiones de las demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar. La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo; por tanto, tiene dimensión It. La diferencia de potencia está dad por la relación P = VI, donde P es la potencia. Como la potencia es la fuerza por la distancia entre el tiempo (mlt^-2 × l × t^-1 = ml²t^-3), el voltaje V está dado por V = ml²t^-3I^-1. Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones, referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas.

Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío, que al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles. Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto). Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Si la energía es masa y la masa produce gravedad, entonces ¿Qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

                     Una especie de espuma cuántica inmersa en un campo de energía que tratamos de conocer

No puedo contestar de momento esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y sólo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a las que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del universo, que no se corresponde en absoluto con la masa y la energía que podemos ver.

Estoy atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que, por mucho que miremos, nunca podremos ver. El lugar de dichas piezas perdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial.

Estamos en un momento crucial de la física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad, que también está implícita en la teoría M. Estamos anclados; necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas virtuales que atan nuestras mentes a ideas del pasado. En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aun estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo el hiperespacio, de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad. Cuando sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy no sabemos resolver. Sin embargo, pronto podremos sondear en el océano de Higgs, los llamados los campos de Higgs donde parece que reside el Bosón de ese mismo nombre que le da masa a las partículas.

emilio silvera

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