En f¨ªsica, ?es lo mismo nada que vac¨ªo?

El diccionario de la RAE nos dice que la nada es ¡°la inexistencia total o carencia absoluta de todo ser¡± o tambi¨¦n ¡°ninguna cosa¡±. Por otro lado, el mismo diccionario nos dice que el vac¨ªo en f¨ªsica ser¨ªa el ¡°espacio carente de materia¡±. Si nos atenemos a estas definiciones, los dos conceptos podr¨ªan parecer sin¨®nimos en f¨ªsica, pero, como vamos a ver, el vac¨ªo como espacio sin materia puede contener otros ingredientes, y esto lo diferencia de la nada. Adem¨¢s, el vac¨ªo s¨ª es un concepto con el que trabajamos en f¨ªsica, mientras que la nada no lo es.

Lo fundamental para entender la diferencia es saber que aunque el vac¨ªo no contenga part¨ªculas no quiere decir que no contenga ninguna cosa. El vac¨ªo puede contener ondas electromagn¨¦ticas viajando a trav¨¦s de ¨¦l, como las de la luz visible o las de radio. Esta idea fue muy dif¨ªcil de aceptar y por mucho tiempo se crey¨® que el vac¨ªo estaba en realidad lleno de un medio et¨¦reo, el ¨¦ter, necesario para que este tipo de ondas pudieran propagarse. Esta hip¨®tesis se basaba en una analog¨ªa con las ondas mec¨¢nicas, por ejemplo el sonido, que s¨ª necesitan un medio material, como el aire o el agua, para viajar de un punto al otro del espacio. Sin embargo, un experimento realizado por Albert Michelson y Edward Morley en 1887 demostr¨® que el ¨¦ter no exist¨ªa y que las ondas electromagn¨¦ticas se propagaban en el vac¨ªo, sin necesidad de ning¨²n medio material.

Por otro lado, la evoluci¨®n de la f¨ªsica durante el siglo XX ha modificado de forma dr¨¢stica nuestra concepci¨®n del vac¨ªo. Primero con la mec¨¢nica cu¨¢ntica, y m¨¢s tarde con la teor¨ªa cu¨¢ntica de campos, nuestra descripci¨®n de las part¨ªculas materiales ha sufrido un cambio radical. En lugar de entender las part¨ªculas materiales como objetos bien localizados en el espacio, hemos pasado a describirlas por medio de campos cu¨¢nticos. Estos campos son objetos que llenan todo el espacio-tiempo y tienen un valor concreto en cada uno de sus puntos. Este valor ser¨ªa igual a cero en pr¨¢cticamente todo el espacio, y solo en algunos puntos encontrar¨ªamos peque?as ondas, que corresponder¨ªan a las part¨ªculas cl¨¢sicas. Sin embargo, la naturaleza cu¨¢ntica de estos campos hace que, incluso en los puntos en los no se encontrar¨ªa la part¨ªcula cl¨¢sica y que, por tanto, identificamos como vac¨ªo, el campo no ser¨ªa estrictamente cero, sino que oscilar¨ªa entre peque?os valores no nulos. En el lenguaje de las part¨ªculas, este fen¨®meno se corresponder¨ªa con un hervidero de pares de part¨ªcula-antipart¨ªcula produci¨¦ndose y aniquil¨¢ndose continuamente de forma suficientemente r¨¢pida como para no violar la ley de la conservaci¨®n de la energ¨ªa.

Tambi¨¦n es posible encontrar campos cuya intensidad es diferente de cero en todo el espacio, incluso en lo que consideramos vac¨ªo. ?ste es el caso del conocido como campo de Higgs, asociado al bos¨®n de Higgs que fue descubierto en 2012 en el experimento LHC del CERN. Este campo tiene un valor m¨ªnimo no nulo en todo el espacio, gracias al cual podemos explicar la masa de la mayor¨ªa de las part¨ªculas elementales. Se trata adem¨¢s de un resultado con implicaciones muy importantes, ya que es posible que esta configuraci¨®n del vac¨ªo, en la que el campo de Higgs tiene un valor diferente de cero en todas partes, no sea estable y el alg¨²n momento pueda cambiar a un valor diferente. Esta modificaci¨®n del vac¨ªo supondr¨ªa un cambio en la f¨ªsica microsc¨®pica tal y como la conocemos que tendr¨ªa consecuencias catastr¨®ficas para nuestro universo. Sin embargo, incluso si nos encontr¨¢ramos en este escenario, el estado actual del vac¨ªo probablemente permanecer¨ªa inmutable durante miles de millones de a?os m¨¢s, as¨ª que no tenemos que preocuparnos demasiado.

As¨ª, hemos visto que el vac¨ªo no est¨¢ tan vac¨ªo como podr¨ªamos pensar, sino que puede contener ondas electromagn¨¦ticas que ir¨ªan viajando a trav¨¦s de ¨¦l, creaci¨®n y destrucci¨®n continua de pares de part¨ªcula-antipart¨ªcula, y el ba?o uniforme del campo de Higgs. Pero, adem¨¢s de todo esto, sabemos que el vac¨ªo contiene una energ¨ªa no nula que llena todo el espacio, la energ¨ªa del vac¨ªo. Esta energ¨ªa es la responsable de que nuestro universo se est¨¦ expandiendo cada vez m¨¢s r¨¢pido, y gracias a ese efecto hemos podido medirla. Su valor es extremadamente peque?o; sin embargo, es determinante para el destino del universo. Esta energ¨ªa del vac¨ªo proceder¨ªa, por un lado, del contenido de part¨ªculas que hemos descrito antes, mientras que otra componente vendr¨ªa de la teor¨ªa de la relatividad general. Podemos estimar la primera componente de la energ¨ªa del vac¨ªo a partir de lo que sabemos sobre f¨ªsica de part¨ªculas, y el resultado que se obtiene es absurdamente mayor que el valor medido, por un factor superior a 10 elevado a 50, es decir, un 1 seguido de 50 ceros o incluso 10 elevado a 120 (1 seguido de 120 ceros). Podr¨ªa pensarse entonces que la segunda componente podr¨ªa ser de una magnitud similar, de forma que la suma de ambas diera lugar al peque?o valor medido. Sin embargo, esto implicar¨ªa una conexi¨®n entre dos aspectos diferentes de la f¨ªsica, como la gravedad y la f¨ªsica de part¨ªculas, que nuestras teor¨ªas actuales no han sido capaces de encajar por el momento. Nos encontramos ante uno de los misterios sin resolver m¨¢s importantes de la f¨ªsica moderna, conocido como el problema de la constante cosmol¨®gica, relacionado tambi¨¦n con la enigm¨¢tica energ¨ªa oscura que constituye casi el 40% de nuestro universo.

En resumen, el vac¨ªo en f¨ªsica est¨¢ bastante lleno de cosas, algunas de las cuales no acabamos de comprender, as¨ª que necesitamos seguir investigando y buscar nuevas teor¨ªas con las que explicarlo.

Mariam T¨®rtola es profesora titular del Departamento de F¨ªsica Te¨®rica de la Universitat de Val¨¨ncia e investigadora del?Instituto de F¨ªsica Corpuscular.

Pregunta enviada por Alberto Garc¨ªa Balad¨ªa

Coordinaci¨®n y redacci¨®n: Victoria Toro

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