¿Está vacío el vacío? La respuesta depende del nivel de sofisticación de la física al que recurramos.
Si nos limitamos a la física cotidiana del tocar, mirar u oler, podríamos decir que a nuestro alrededor no hay nada. El aire es invisible y, en ese sentido, parece “vacío”. Sin embargo, nuestra propia respiración desmiente esa 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 desde regiones donde están más concentradas hacia otras donde lo están menos. Nuestra fisiología explota el hecho de que sí hay algo donde a primera vista no vemos nada.
Algo parecido ocurrió en el largo camino hacia la comprensión del vacío.
La naturaleza aborrece el vacío
Durante siglos, el pensamiento occidental estuvo influido por la idea de Aristóteles de que la naturaleza aborrece el vacío (el llamado horror vacui). Según esta concepción, si en algún lugar apareciera un vacío, la materia se apresuraría a ocuparlo inmediatamente. La idea parecía razonable: en la vida cotidiana no encontramos espacios completamente desprovistos de materia.
Pero la física comenzó a abandonar la especulación puramente filosófica cuando empezó a apoyarse en experimentos cuantitativos.
En el siglo XVII, Galileo Galilei se interesó por un problema práctico: elevar agua desde pozos profundos mediante bombas de succión. Este problema era crucial para el drenaje de minas y el riego agrícola. Sin embargo, Galileo observó un límite intrigante: el agua no podía elevarse más allá de unos 10 metros mediante succión. ¿Por qué existía ese límite?
Su discípulo Evangelista Torricelli, con la colaboración de Vincenzo Viviani, ideó en 1643 un experimento que proporcionó una pista decisiva.
El peso de la atmósfera
Torricelli llenó un tubo de vidrio de aproximadamente un metro de longitud con mercurio, lo tapó y lo invirtió sobre un recipiente que contenía el mismo metal. Al retirar el tapón, el mercurio descendió parcialmente, pero no vació el tubo. Se estabilizó formando una columna de unos 760 milímetros de altura al nivel del mar.
Por encima del mercurio quedó una región transparente aparentemente vacía: el llamado “vacío de Torricelli”.
Torricelli comprobó además que la altura de la columna no dependía de la forma del tubo ni del volumen del espacio superior. Esto indicaba que el fenómeno no se debía a una “succión” desde el interior, sino a una presión ejercida desde el exterior.
La explicación era revolucionaria: el mercurio se sostenía porque el aire que nos rodea tiene peso. La atmósfera ejerce presión sobre la superficie del mercurio del recipiente, empujándolo hacia el interior del tubo.
Había nacido el primer barómetro.
En busca del vacío
El resultado fue confirmado pocos años después por Blaise Pascal. En 1648, su cuñado Florin Périer ascendió al Puy de Dôme, en el centro de Francia, con un barómetro. Observó que la altura de la columna de mercurio disminuía a medida que aumentaba la altitud.
La interpretación era clara: cuanto mayor es la altura, menor es la cantidad de aire sobre nosotros y, por tanto, menor es la presión atmosférica.
La columna de mercurio estaba sostenida por el peso de la atmósfera. El experimento confirmó la existencia de la presión atmosférica y una idea sorprendente: el espacio en la parte superior del tubo podía estar realmente vacío de materia ordinaria.
Las bombas de vacío
Pero el estudio sistemático del vacío requirió instrumentos más sofisticados: las bombas de vacío.
El ingeniero alemán Otto von Guericke construyó en 1650 una de las primeras bombas capaces de extraer aire de un recipiente. Su experimento más célebre tuvo lugar en 1654 en Magdeburgo: unió dos hemisferios metálicos huecos, extrajo el aire de su interior y pidió a dos equipos de caballos que tiraran en direcciones opuestas. Los animales no lograron separarlos. Así mostró de manera espectacular la enorme fuerza ejercida por la presión atmosférica.
Pasaron algunos años, y los científicos Robert Boyle y Robert Hooke perfeccionaron el diseño de las bombas de vacío, permitiendo realizar experimentos más controlados.
Boyle observó varios fenómenos reveladores. Dentro de una cavidad sin aire hizo tañir una campana, y vio que no sonaba. Puso una vela ardiendo, y vio que se apagaba. Y por terquedad o por curiosidad metió distintos animales, observando que a un insecto alado le era imposible volar. También notó que a un ratón o un pájaro le era imposible respirar. El vacío tomaba consistencia, y la idea saltaba del ámbito científico a la cultura popular.
La fascinación por estos experimentos trascendió el ámbito científico. El cuadro Experimento con un ave en la bomba de vacío, del británico Joseph Wright of Derby, representa una demostración pública de los efectos del vacío sobre un ave, símbolo del impacto cultural de estos descubrimientos.
La base de los rayos X
El vacío desempeñó también un papel crucial en el descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Conrad Röntgen en 1895. Los tubos de rayos catódicos utilizados en estos experimentos requerían un vacío muy elevado. Si quedara demasiado gas en el interior, los electrones perderían energía al chocar con las moléculas del aire antes de alcanzar su objetivo metálico.
El desarrollo de mejores técnicas de vacío permitió avances decisivos en la física atómica y electrónica.
Sin embargo, la sorpresa mayor llegaría con la física cuántica del siglo XX.
El vacío cuántico no está vacío
En la física clásica, el vacío se entiende como la ausencia de materia. Pero la teoría cuántica de campos lo describe como el estado de menor energía posible de los campos fundamentales que llenan el universo.
Incluso en ausencia de partículas reales, estos campos experimentan fluctuaciones inevitables debidas al principio de incertidumbre. Estas fluctuaciones pueden interpretarse como la aparición efímera de pares de partículas y antipartículas llamadas partículas virtuales.
No pueden detectarse directamente –si pudiéramos hacerlo dejarían de ser virtuales– pero sus efectos sí son medibles.
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 metálicas extremadamente próximas en el vacío (separadas por distancias del orden de micrómetros o nanómetros), las fluctuaciones cuánticas permitidas entre ellas son menos numerosas que en el exterior. Esta diferencia genera una pequeña presión neta que empuja las placas entre sí.
Una analogía útil es la vibración de una cuerda de violín: las condiciones en los extremos determinan qué notas son posibles. De manera similar, las placas restringen los modos de vibración del campo cuántico.
El vacío cuántico posee propiedades físicas medibles.
Un vacío lleno de física
Hoy sabemos que el vacío está ligado 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, asociada a la energía del vacío y a la expansión acelerada del universo, y la electrodinámica cuántica, una de las teorías más precisas jamás comprobadas experimentalmente.
El recorrido histórico muestra una ironía interesante: Aristóteles estaba equivocado en los detalles, pero acertó en el espíritu. El vacío nunca resultó ser una simple nada.
