¿Está vacío el vacío? La respuesta depende del nivel de complejidad de la física a la que recurramos.
Si nos limitamos a la física cotidiana de tocar, mirar u oler, podríamos decir que no hay nada a nuestro alrededor. El aire es invisible y en este sentido parece “vacío”. Sin embargo, nuestra propia respiración desmiente esta intuición: el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono en los pulmones depende de un fenómeno físico bien conocido: la difusión, mediante el cual las moléculas se mueven de áreas donde están más concentradas a otras donde están menos concentradas. Nuestra fisiología aprovecha que hay algo que a simple vista no podemos ver.
Algo similar ocurrió en el largo camino hacia la comprensión del vacío.
La naturaleza aborrece el vacío
Durante siglos, el pensamiento occidental ha estado influenciado por la idea de Aristóteles de que la naturaleza aborrece el vacío (el llamado horror al vacío). Según este concepto, si en alguna parte surgiera un vacío, 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 crítico para el drenaje de las minas y el riego agrícola. Sin embargo, Galileo descubrió una limitación intrigante: el agua no podía elevarse más de 10 metros mediante succión. ¿Por qué había este límite?
Su alumno Evangelista Torricelli, en colaboración con Vincenzo Viviani, diseñó un experimento en 1643 que proporcionó la pista decisiva.
Peso de la atmósfera
Torricelli llenó con mercurio un tubo de vidrio de aproximadamente un metro de largo, lo tapó y lo invirtió sobre un recipiente que contenía el mismo metal. Cuando se quitó la tapa, el mercurio se hundió parcialmente, pero no vació el tubo de ensayo. Se estabilizó para formar una columna de unos 760 milímetros de altura al nivel del mar.
Por encima del mercurio aparentemente había una zona transparente y vacía: el llamado “vacío Torricelli”.
Torricelli también confirmó que la altura de la columna es independiente de la forma del tubo y del volumen del espacio superior. Esto indicaba que el fenómeno no surgió de una “succión” desde dentro, sino de una presión ejercida desde fuera.
La explicación fue revolucionaria: el mercurio sobrevivió 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 varios años después por Blaise Pascal. En 1648, su yerno Florin Périer escaló el Puy de Dôme, en el centro de Francia, con un barómetro. Observó que la altura de la columna de mercurio disminuye al aumentar la altitud.
La interpretación era clara: a mayor altitud, menos aire había 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 herramientas más complejas: bombas de vacío.
En 1650, el ingeniero alemán Otto von Guericke construyó una de las primeras bombas capaces de bombear aire fuera de un contenedor. Su experimento más famoso tuvo lugar en 1654 en Magdeburgo: conectó dos hemisferios huecos de metal, extrajo aire de ellos y pidió a dos yuntas de caballos que tiraran en direcciones opuestas. Los animales no pudieron separarlos. De este modo, demostró eficazmente el enorme poder de la presión atmosférica.
Grabado de Gaspar Schott que representa el experimento de Otto von Guericke con el hemisferio de Magdeburgo. Wikimedia Commons, CC BY
Pasaron varios años y los científicos Robert Boyle y Robert Hooke mejoraron 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 vio que no sonaba. Encendió la vela y vio que se había apagado. Y por terquedad o curiosidad, introdujo diferentes animales, notando que el insecto alado no podía volar. También notó que ni el ratón ni el pájaro podían respirar. El vacío ganó coherencia y la idea saltó del ámbito científico a la cultura popular.
Fragmento del cuadro de Joseph Wright Experimento con un pájaro en una bomba de vacío. Wikimedia Commons, CC BY
La fascinación por estos experimentos trascendió el 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 en un pájaro, y simboliza el impacto cultural de estos descubrimientos.
La base de los rayos X.
El vacío también jugó un papel crucial en el descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Conrad Roentgen en 1895. Los tubos de rayos catódicos utilizados en estos experimentos requerían un vacío muy alto. Si queda demasiado gas en el interior, los electrones perderán energía al chocar con las moléculas de aire antes de alcanzar su objetivo metálico.
El desarrollo de métodos de vacío más avanzados ha permitido lograr avances decisivos en la física atómica y electrónica.
La mayor sorpresa, sin embargo, fue la física cuántica del siglo XX.
El vacío cuántico no está vacío
En física clásica, vacío significa ausencia de materia. Pero la teoría cuántica de campos lo describe como el estado energético más pequeño 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. Lamoreaux.
Si colocamos dos placas de metal muy cerca una de otra en el vacío (del orden de micrómetros o nanómetros), habrá menos fluctuaciones cuánticas entre ellas que en el exterior. Esta diferencia crea una pequeña presión neta que fuerza a las placas a unirse.
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 placas limitan los modos de vibración de un campo cuántico.
El vacío cuántico tiene propiedades físicas mensurables.
Vacío lleno de física
Hoy sabemos que el vacío está asociado a 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, relacionada con la energía del vacío y la expansión acelerada del Universo, y la electrodinámica cuántica, una de las teorías más precisas jamás probadas experimentalmente.
Una revisión histórica revela una interesante ironía: Aristóteles se equivocó en los detalles, pero acertó en espíritu. El vacío nunca resultó ser una simple inexistencia.
