¿Qué es la nada?

El vacío cuántico explica desde el movimiento de nanopartículas hasta el cosmos. Contiene partículas de materia en potencia y, desde luego, no está vacío.

En un artículo recientemente publicado en ¨Physical Review Letters¨ llamado ¨Una fuerza lateral de Casimir sobre una partícula rotante cerca de una superficie plana¨ unos investigadores de la Universidad de Nuevo México en Estados Unidos han logrado observar una extraña fuerza capaz de mover nanopartículas a distancia gracias a efectos del vacío cuántico.  

Dado que esta fuerza actúa a distancias nanométricas, los investigadores creen que sus resultados serán muy importantes en aplicaciones de biomedicina que trabajan justamente a estas pequeñas distancias.

Es difícil imaginarse lo que es ¨la nada¨ o el vacío absoluto. No se preocupe, en realidad no hace falta imaginárselo porque el vacío absoluto no existe. Desde el punto de vista de la física cuántica, el vacío cuántico no es simplemente un espacio totalmente vacío. Contiene ondas, fotones, las partículas de la luz que pueden aparecer y desaparecer.

¿Pero qué es el vacío cuántico?

En realidad el vacío cuántico se parece mucho a la materia cuántica. El vacío cuántico se llama también punto de energía cero, que más que a la nada se parece más bien al punto de temperatura de cero grados Celsius. Porque por debajo de cero grados Celsius sabemos que ocurren cosas. La diferencia con el vacío cuántico es que ocurren cosas que resultan más extrañas que la congelación del agua.

Una de ellas es el efecto Casimir llamado así en honor al físico holandés Hendrik Casimir que predijo este efecto en 1948. Pensemos en dos placas conductoras paralelas y separadas entre sí y que no están cargadas eléctricamente. Desde el punto de vista de la física clásica, si no hay campos externos entonces no ocurriría absolutamente nada entre ellas. Está la atracción gravitatoria, pero que es irrelevante en este caso. La situación es muy diferente si nos metemos en el mundo de la física cuántica. Si las placas están separadas entre sí a una distancia ínfima, del orden de nanómetros, entonces de repente ¡aparece una fuerza entre las dos placas!«El vacío cuántico es un mar infinito de partículas de energía negativa»

Esta fuerza puede ser de atracción o de repulsión y depende de los detalles de las placas. Tiene su origen en las fluctuaciones del vacío y es la responsable del efecto observado por el equipo estadounidense de que una bola se mueva sin estar en contacto con ninguna fuerza.

¿Qué son esas fluctuaciones del vacío?

Para entender estas fluctuaciones resulta útil entender el vacío cuántico como un sistema particular de materia. El vacío cuántico es el estado fundamental del vacío, o el estado de mínima energía.

En completa analogía de, por ejemplo, con el estado fundamental de un átomo de hidrógeno. Este es el átomo más simple que conocemos conteniendo un protón cargado positivamente y un electrón cargado negativamente.

Aunque sea un sistema tan simple, hay muchas formas en las que protón y electrón puedan estar ligados. El caso en el que el electrón tenga la menor energía posible, se llama el estado fundamental del hidrógeno. Sin embargo, si por ejemplo un fotón de luz llega a ese átomo y es absorbido por el hidrógeno, el electrón adquiere esa energía y puede estar en un ¨estado excitado¨. De hecho hay muchas órbitas posibles y sólo se pudieron entender gracias a la mecánica cuántica. Las órbitas están separadas por un salto energético determinado. Soló si un fotón con la suficiente energía impacta el hidrógeno y su energía es absorbida, entonces el electrón puede dar un salto cuántico y acceder a una órbita diferente. 

Las energías posibles del electrón no están distribuidas de forma continua, sino que están separadas por una distancia energética. De tal manera que un dibujo de las posibles energías se parece más a un código de barras que a un arco iris, porque se tiene que dar un salto para ir de una órbita a otra.

Y esto, ¿qué tiene que ver con las fluctuaciones del vacío?

En el caso del hidrógeno, los electrones no sólamente pueden ¨excitarse¨ por la absorción de un fotón, sino que pueden ¨desexcitarse¨. Cuando ocurre esto, entonces el hidrógeno emite un fotón y el electrón pasa de estar en una órbita a otra menos energética. ¿Cuándo ocurre esto? Este proceso ocurre de forma ¨espontánea¨, que es otra forma de decir que la física cuántica sólo puede describir este proceso mediante probabilidades.

Estos mismos efectos espontáneos o fluctuaciones también ocurren en el vacío. Como el vacío contiene una energía mínima, pueden surgir de él de manera espontánea fotones. De hecho un modelo importante del vacío propuesto en 1930 es el del físico británico Paul Dirac. Según su modelo, el vacío cuántico es un mar infinito de partículas de energía negativa. Aunque este modelo ha caído en desuso nos da una idea intuitiva de lo que es el vacío cuántico. En vez de un átomo tenemos ahora el vacío del cual, de manera ¨espontánea¨, se emite un fotón.«Hay algo fundamental sobre el vacío que se desconoce»

Son estos fotones y campos electromagnéticos surgidos del vacío los que crean una presión y por tanto una fuerza de Casimir. Sólo es detectable esa fuerza si las placas, que mencionabamos antes, están muy cerca. 

Es esta fuerza también la responsable de que se mueva la bola cerca de la superficie y que los investigadores han descrito ahora con mayor precisión y con posibles aplicaciones en ingeniería nanotecnológica.

El vacío cuántico y la constante cosmológica

El vacío cuántico es también fundamental para entender la dinámica del cosmos. Desde las observaciones cosmológicas, sale que un centímetro cúbico del vacío contiene la energía de 0.6 electronvoltios. Es más, el vacío cuántico es descrito por la constante cosmológica que es la responsable de la acelerada expansión del Universo. 

Por lo tanto, el vacío cuántico tiene una gran importancia tanto para entender el movimiento de nanopartículas como para entender el cosmos en su conjunto. 

Sin embargo, las predicciones de la física cuántica del valor exacto de la constante cosmológica, por el momento, fracasan estrepitosamente, lo que significa que hay algo fundamental sobre el vacío que se desconoce.

En cualquier caso vemos que los físicos toman un punto de vista materialista ante el vacío: existe, se rige por leyes que podemos conocer y podemos transformar en nuestro beneficio.

Lo que queda claro es que el vacío cuántico tiene muchas propiedades y que aunque no contenga partículas de materia, sí las contiene en potencia y por lo tanto está todo, menos vacío.