El vacío y la energía de punto cero

Para los atomistas griegos el vacío era lo que distingue la existencia de la no existencia y las discusiones sobre el vacío eran más bien filosóficas.

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Por: Vicente Aboites

Para los atomistas griegos el vacío era lo que distingue la existencia de la no existencia y las discusiones sobre el vacío eran más bien filosóficas.

No fue hasta que Otto von Guericke durante el renacimiento inicial, inventó la primera bomba de vacío y solo a partir de allí se dieron ideas científicamente verificables sobre el vacío.

Lo más sencillo fue considerar que el vacío se alcanza cuando se remueven todos los gases de un lugar. De hecho, esta fue la primera idea aceptada del concepto de vacío. Posteriormente la teoría electromagnética de Maxwell supuso la existencia de un medio llamado “éter” en el cual se propagan las ondas electromagnéticas.

El hecho de que tanto los fenómenos electromagnéticos como la luz, y los fenómenos gravitacionales, pudieran manifestarse a través del espacio aparentemente vacío sugería que verdaderamente el vacío estaba lleno de ese medio misterioso llamado éter.  En 1887 Michelson y Morley realizaron un experimento para detectar el éter, pero no lo lograron.

Desde entonces el experimento de Michelson y Morley es el experimento más reproducido en la historia de la física, bajo todas las condiciones imaginables y en todos los lugares posibles, por ejemplo; se ha realizado en nuestro planeta, así como en el espacio exterior obteniendo siempre el mismo resultado negativo. La conclusión de este experimento es que el imaginado éter no existe y la moraleja científica con profundas implicaciones filosóficas es que: ¡No puede existir algo no que no se puede detectar, medir u observar por ningún modo posible! De hecho, la teoría de la relatividad de Einstein muestra que la idea del éter es no solamente incorrecta sino también innecesaria para la ciencia moderna.

A partir de la teoría cuántica de Planck fue evidente que la radiación térmica, compuesta por partículas llamadas fotones, invade todo el espacio. Por tanto, se pensó que para obtener vacío absoluto es necesario eliminar de un volumen todas las partículas de gas (i.e. átomos y moléculas) así como todas las partículas cuánticas que forman la radiación térmica (i.e. fotones). Los científicos de la época pensaron que eliminando toda partícula y enfriando al cero absoluto se encontraría realmente el vacío.

Sin embargo, en 1924 Louis de Broglie propuso la dualidad onda partícula de acuerdo a la cual a toda partícula se le puede asociar una onda, y viceversa; a toda onda se le puede asociar una partícula. Este es un concepto central de la mecánica cuántica que es plenamente explotado en la llamada teoría cuántica de campos, de acuerdo a la cual el universo está compuesto por campos de materia cuyos cuantos energéticos son fermiones (i.e. electrones y quarks), y campos de fuerza cuyos cuantos son bosones (i.e. fotones y gluones).

Por otra parte, el principio de incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer simultáneamente la posición y velocidad (momento) de una partícula.  La importancia de este principio en el mundo cuántico es evidente tomando como ejemplo la órbita de un electrón alrededor de un núcleo tal como fue propuesto en el modelo atómico de Bohr.

En este modelo se puede determinar la posición y velocidad exacta de un electrón sin embargo aplicando el principio de incertidumbre de Heisenberg vemos que esto es imposible. La conclusión es que podemos hablar de una “nube de probabilidad” que nos dirá en donde -probabilísticamente- se puede encontrar un electrón, pero no podemos saber nunca exactamente dónde está. Lo mismo ocurre con cualquier otra partícula cuántica y por tanto tenemos que un espacio cualquiera, aunque este vacío de átomos y moléculas, siempre tendrá la presencia de cuantos debido a los campos e.g. electromagnéticos y gravitacionales, que son imposibles de excluir en todo punto del universo.

Los cuantos de estos campos representan partículas que de acuerdo al principio de incertidumbre de Heisenberg están en continua vibración.

Por tanto, vemos que obtener vacío absoluto (libre de toda partícula clásica o cuántica) es simplemente imposible. Y también vemos que debido a las inevitables vibraciones de todas las partículas cuánticas siempre habrá una vibración mínima que determina la llamada energía cuántica de punto cero que inunda la totalidad del universo.

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