En física, ¿es lo mismo nada que vacío?

El diccionario de la RAE nos dice que la nada es “la inexistencia total o carencia absoluta de todo ser” o también “ninguna cosa”. Por otro lado, el mismo diccionario nos dice que el vacío en física sería el “espacio carente de materia”. Si nos atenemos a estas definiciones, los dos conceptos podrían parecer sinónimos en física, pero, como vamos a ver, el vacío como espacio sin materia puede contener otros ingredientes, y esto lo diferencia de la nada. Además, el vacío sí es un concepto con el que trabajamos en física, mientras que la nada no lo es.

Lo fundamental para entender la diferencia es saber que aunque el vacío no contenga partículas no quiere decir que no contenga ninguna cosa. El vacío puede contener ondas electromagnéticas viajando a través de él, como las de la luz visible o las de radio. Esta idea fue muy difícil de aceptar y por mucho tiempo se creyó que el vacío estaba en realidad lleno de un medio etéreo, el éter, necesario para que este tipo de ondas pudieran propagarse. Esta hipótesis se basaba en una analogía con las ondas mecánicas, por ejemplo el sonido, que sí 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 demostró que el éter no existía y que las ondas electromagnéticas se propagaban en el vacío, sin necesidad de ningún medio material.

Por otro lado, la evolución de la física durante el siglo XX ha modificado de forma drástica nuestra concepción del vacío. Primero con la mecánica cuántica, y más tarde con la teoría cuántica de campos, nuestra descripción de las partículas materiales ha sufrido un cambio radical. En lugar de entender las partículas materiales como objetos bien localizados en el espacio, hemos pasado a describirlas por medio de campos cuánticos. Estos campos son objetos que llenan todo el espacio-tiempo y tienen un valor concreto en cada uno de sus puntos. Este valor sería igual a cero en prácticamente todo el espacio, y solo en algunos puntos encontraríamos pequeñas ondas, que corresponderían a las partículas clásicas. Sin embargo, la naturaleza cuántica de estos campos hace que, incluso en los puntos en los no se encontraría la partícula clásica y que, por tanto, identificamos como vacío, el campo no sería estrictamente cero, sino que oscilaría entre pequeños valores no nulos. En el lenguaje de las partículas, este fenómeno se correspondería con un hervidero de pares de partícula-antipartícula produciéndose y aniquilándose continuamente de forma suficientemente rápida como para no violar la ley de la conservación de la energía.

También es posible encontrar campos cuya intensidad es diferente de cero en todo el espacio, incluso en lo que consideramos vacío. Éste es el caso del conocido como campo de Higgs, asociado al bosón de Higgs que fue descubierto en 2012 en el experimento LHC del CERN. Este campo tiene un valor mínimo no nulo en todo el espacio, gracias al cual podemos explicar la masa de la mayoría de las partículas elementales. Se trata además de un resultado con implicaciones muy importantes, ya que es posible que esta configuración del vacío, en la que el campo de Higgs tiene un valor diferente de cero en todas partes, no sea estable y el algún momento pueda cambiar a un valor diferente. Esta modificación del vacío supondría un cambio en la física microscópica tal y como la conocemos que tendría consecuencias catastróficas para nuestro universo. Sin embargo, incluso si nos encontráramos en este escenario, el estado actual del vacío probablemente permanecería inmutable durante miles de millones de años más, así que no tenemos que preocuparnos demasiado.

Así, hemos visto que el vacío no está tan vacío como podríamos pensar, sino que puede contener ondas electromagnéticas que irían viajando a través de él, creación y destrucción continua de pares de partícula-antipartícula, y el baño uniforme del campo de Higgs. Pero, además de todo esto, sabemos que el vacío contiene una energía no nula que llena todo el espacio, la energía del vacío. Esta energía es la responsable de que nuestro universo se esté expandiendo cada vez más rápido, y gracias a ese efecto hemos podido medirla. Su valor es extremadamente pequeño; sin embargo, es determinante para el destino del universo. Esta energía del vacío procedería, por un lado, del contenido de partículas que hemos descrito antes, mientras que otra componente vendría de la teoría de la relatividad general. Podemos estimar la primera componente de la energía del vacío a partir de lo que sabemos sobre física de partículas, 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). Podría pensarse entonces que la segunda componente podría ser de una magnitud similar, de forma que la suma de ambas diera lugar al pequeño valor medido. Sin embargo, esto implicaría una conexión entre dos aspectos diferentes de la física, como la gravedad y la física de partículas, que nuestras teorías actuales no han sido capaces de encajar por el momento. Nos encontramos ante uno de los misterios sin resolver más importantes de la física moderna, conocido como el problema de la constante cosmológica, relacionado también con la enigmática energía oscura que constituye casi el 40% de nuestro universo.

En resumen, el vacío en física está bastante lleno de cosas, algunas de las cuales no acabamos de comprender, así que necesitamos seguir investigando y buscar nuevas teorías con las que explicarlo.

Mariam Tórtola es profesora titular del Departamento de Física Teórica de la Universitat de València e investigadora del Instituto de Física Corpuscular.

Pregunta enviada por Alberto García Baladía

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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