La catástrofe del vacío (cósmico)

Aviso a navegantes: este va a ser un artículo complicado. Nuestro título parece indicar que cerramos el chiringo de nuestra sección, pero no, no es eso.

Es más bien porque, primero, el tema de hoy roza áreas fundamentales de la filosofía, con preguntas acerca de algo tan básico como la existencia, una pregunta ontológica, palabra que solo de escribirla ya te entra el pánico. Segundo, porque el asunto es un gran reto para la física cuántica y la cosmología más avanzadas. Y tercero, sobre todo, porque realmente ni yo, que quiero explicarlo y me he metido en un lío solito, ni nadie sabemos exactamente qué es el vacío, ni su relación con el espacio y el tiempo, que en sí es decir que no sabemos qué es la mayor parte del universo.

Al problema que nos ocupa se le conoce como la catástrofe del vacío. Vamos a ello.

La densidad media de materia en el universo hoy es equivalente a tener 5 protones por cada metro cúbico, lo que es lo mismo que decir que cada protón dista de otro del orden de una fracción no muy pequeña de metro. Eso a nuestra escala humana es mucho, pero a escala atómica es inmenso. Basta decir que la distancia entre átomos de hidrógeno en una molécula de agua es del orden de 0.1 nanómetros, o una diezmilmillonésima parte de un metro. Globalmente, entonces, el universo es muy, muy diferente a lo que nos rodea.

Dejemos a un lado el hecho de que estoy hablando de átomos o protones como si fueran partículas, bolitas entre las que puedo calcular una distancia, y eso no es totalmente correcto, pero aun así nos podemos preguntar: ¿qué hay entre átomo y átomo en el universo? O ¿qué podemos encontrar entre los átomos de una molécula de agua? Porque algo habrá, ¿no?

Se dice que la luz se mueve a 300.000 kilómetros por segundo en el vacío, así que el medio sería el vacío (el de nuestra sección, el cósmico). ¿Qué es el vacío entonces?

Veamos qué puede haber entre esos protones del universo. Ya contamos que hay 100.000 millones de veces más fotones que partículas de las que tienen masa (bariones, las llamamos) en el universo. Así que el cosmos está lleno de fotones, que nos encajan más como ondas que los protones (la cuántica va haciéndose un hueco en nuestras mentes poco a poco). Aun así, podemos decir que esa densidad de fotones es muy baja comparada con la que nos baña en la playa (tres meses sin probarla ya me pesan), que es 10 órdenes de magnitud más grande.

Alternativamente podemos considerar que la luz es una onda desplazándose por un medio, como el sonido en el aire o las olas en el mar. ¿En qué consiste ese medio? Se dice que la luz se mueve a 300.000 kilómetros por segundo en el vacío, así que el medio sería el vacío (el de nuestra sección, el cósmico). ¿Qué es el vacío entonces?

¿Qué más puede haber en el vacío? Habremos oído hablar, nosotros algo hemos escrito de ello, de la materia oscura, nombre que puede resultar un poco críptico para el neófito pero físicamente proviene de que no es “visible” simplemente porque no se comporta con los fotones como la materia normal. Ni emite luz, ni la refleja, algo que nos permite “ver” las cosas, y que, debemos tenerlo claro, sesga nuestra concepción del universo.

Entre esa materia oscura están los neutrinos, que sabemos que existen pero no los podemos “ver”, no interaccionan con los fotones y casi nada con la materia. El número de neutrinos en el universo es parecido al de fotones, y también se desplazan por un medio, el vacío.

Avanzamos. Parece que deben existir otras formas de materia oscura más exóticas. Los astrofísicos, al menos, estamos convencidos de ello por nuestros datos sobre galaxias, por ejemplo, pero los físicos de partículas no nos las dan en bandeja, no sabemos qué pueden ser. En principio no habría tantas partículas de esa materia oscura como de neutrinos o fotones, aunque dominarían en masa (serían “pocas” pero pesaditas).

Entonces, ¿existe algo entre los bariones, fotones, neutrinos u otras partículas de materia oscura? Porque no llenan el universo. ¿Qué es ese vacío? Filosóficamente y en el universo de Michael Ende podríamos decir ¿qué es la Nada?

Los griegos decían que es imposible que la nada exista. Para Aristóteles, que ya hemos incluido en algún artículo, existe la materia y existe el espacio. La Nada, el vacío cósmico, sería entonces el espacio, el espacio-tiempo podríamos completar habiendo oído algo de un tal Einstein. Pero ¿qué es el espacio-tiempo?

Muchas preguntas y en realidad no estamos contestando a nada, nunca mejor dicho, simplemente estamos poniendo más palabras una detrás de otra que rozan el concepto de existencia por ambos lados: cosas que se quedarían dentro (y serían universo) y cosas que no (y no existirían).

Los griegos decían que es imposible que la nada exista, para Aristóteles existe la materia y el espacio. La Nada, el vacío cósmico, sería entonces el espacio. Pero ¿qué es el espacio-tiempo?

Otro filósofo, Hegel, nos propuso un proceso para descubrir qué es la realidad. El método consiste en formular primero una tesis que persigue llegar al conocimiento de algo, para nosotros sería que el vacío existe y queremos saber qué es. Hegel luego nos propuso contradecirse con una antítesis, que sería que el vacío es la nada, no existe. Y para superar ambas cosas, Hegel nos invitó a buscar la síntesis, una tierra intermedia, que podría ser que el vacío aparece, pasa de la nada a la realidad (¡se crea!).

Pues bien, no muy lejos de la idea de Hegel podemos encontrar lo que hoy se usa para definir el vacío, y lo que actualmente debe ser el mayor error de concepto de la ciencia. El vacío cuántico hoy se concibe como un ente igual que cualquier partícula, podríamos decir que sería un medio de partículas virtuales (y campos, esa es otra historia), con sus propiedades cuánticas.

Pero todas las propiedades de esas partículas virtuales se cancelan en media (unas tendrán una carga eléctrica, otras la contraria, unas un estado de polarización, otras el contrario), y el resultado sería que no parece existir nada.

Podemos nombrar dos implicaciones de esta concepción del vacío, una comprobada (aunque no por ello exenta de controversia), otra (todavía) solo predicha. Las dos implicaciones son el llamado efecto Casimir y la radiación de Hawking. Nos centramos en la primera prueba, que nos dice que entre dos placas metálicas en las que no existe nada, “solo vacío” (ya estamos implicando la existencia de algo en esta frase), no esperaríamos ningún tipo de fuerza, pero sin embargo se miden fuerzas de origen eléctrico. La explicación sería la interacción entre las placas con las partículas virtuales del vacío, con carga inversa cada par de ellas, lo que implica que existiría una energía asociada a la ausencia de materia, al espacio vacío.

Dejamos la radiación de Hawking para otro día y acabamos con el mayor fracaso de la física moderna, la conocida como catástrofe del vacío. Podríamos pensar que esa energía del vacío medida en un laboratorio en la Tierra entre las placas del experimento de Casimir llena todo el Universo, es lo que hay entre los protones con los que comenzamos el artículo. Pues bien, lo que medimos los astrofísicos sobre la energía del vacío cósmico y lo que ha medido en laboratorio gente como Casimir son diferentes en un factor… 1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 (un 1 y 120 ceros, si los he contado bien).

Algo no cuadra, ¡¿verdad?! El concepto de qué es el espacio (y el tiempo) y la existencia del vacío, del universo en sí, nos es esquiva. El problema no es nuevo, pero tiene pinta de necesitar todavía mucho tiempo para solucionarse, todo el que existirá quizá.

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de un átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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