¿Es el vacío absoluto una utopía?

Nada vs. vacío: conceptos radicalmente diferentes

No hay que confundir el vacío con la nada.

• La nada es la ausencia absoluta de todo: ni materia, ni energía, ni espacio, ni tiempo. Es un concepto metafísico, imposible de observar o reproducir experimentalmente.
• El vacío es un concepto físico y filosófico que designa la ausencia de materia en un volumen dado. A diferencia de la nada, el vacío puede contener energía (campos electromagnéticos, fluctuaciones cuánticas).

En el lenguaje cotidiano, un recipiente "vacío" (un vaso, una botella) en realidad está lleno de aire. A presión atmosférica, un milímetro cúbico de aire contiene aproximadamente 2 × 10¹⁹ moléculas, es decir, dos trillones. Esta densidad ilustra la ambigüedad del término: si el vacío nunca es total, ¿merece su nombre?

El vacío en física: un límite experimental

Los físicos definen el vacío como el estado obtenido tras eliminar toda la materia detectable en un volumen dado, según los límites tecnológicos actuales. Se trata, por tanto, de un vacío relativo, nunca absoluto.

• El ultraalto vacío se alcanza a presiones inferiores a 10^-7 Pa (10^-9 mbar). A este nivel, la densidad molecular cae a unos 2 millones de moléculas por centímetro cúbico.
• Para comparar, el espacio interestelar contiene en promedio 1 átomo por centímetro cúbico, y el vacío intergaláctico desciende hasta 1 átomo por metro cúbico.

Se utiliza una bomba de vacío para extraer las moléculas de un volumen hermético. La calidad del vacío se mide por la presión residual, expresada en:

• Pascal (Pa) (unidad SI): 1 Pa = 1 N/m².
• Milibar (mbar): 1 mbar = 100 Pa (uso industrial).
• Torr: 1 Torr ≈ 133,322 Pa (histórico, basado en la presión ejercida por 1 mm de mercurio).

En la Tierra, los mejores ultraaltos vacíos alcanzan 10^-10 a 10^-12 Pa (ej.: aceleradores de partículas como el LHC (gran Colisionador de Hadrones)). Incluso en estas condiciones, persisten moléculas, y el vacío sigue siendo relativo.

Presión en pascales (Pa): 1 Pa corresponde a una fuerza de 1 newton (N) aplicada uniformemente sobre 1 metro cuadrado.
Definición del newton (N): Unidad de fuerza del SI. 1 N es la fuerza capaz de comunicar a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s².
Ejemplo: Una aceleración de 1 m/s² significa que la velocidad de un objeto aumenta en 3,6 km/h cada segundo (1 m/s = 3,6 km/h).

El vacío y los campos electromagnéticos: una energía invisible

Contrariamente a la creencia popular, el vacío no está "vacío" de energía:

• Las ondas electromagnéticas (luz, radio, rayos X) se propagan en el vacío sin medio material. Corresponden a variaciones de los campos eléctrico y magnético, transportando energía.
• En mecánica cuántica, el vacío es sede de fluctuaciones cuánticas: pares partícula-antipartícula aparecen y desaparecen espontáneamente (efecto Casimir (efecto cuántico en el que dos placas metálicas se atraen en el vacío debido a las fluctuaciones del vacío cuántico)).

Un vacío total implicaría, por tanto, la ausencia tanto de materia como de radiación/energía. Tal estado no existe en el universo observable (donde la radiación de fondo cósmico llena el espacio a 2,7 K), ni en laboratorio.

Einstein y la relatividad: ¿El fin del vacío absoluto?

En Relatividad: Teoría especial y general (1916), Albert Einstein (1879-1955) dedica un apéndice al problema del espacio y el vacío. Cita a René Descartes (1596-1650) y Emmanuel Kant (1724-1804), y rechaza la idea de un espacio vacío de campos:
« Los objetos físicos no están en el espacio, sino que estos objetos tienen extensión espacial. Así, el concepto de espacio vacío pierde su sentido. »
Albert Einstein, prólogo a la 9ª edición (1952).
Para Einstein, el espacio-tiempo es una entidad dinámica, moldeada por la materia y la energía (ecuación E = mc²). El "vacío" se convierte entonces en un campo de potenciales, donde incluso la ausencia de materia deja espacio para propiedades geométricas (curvatura del espacio-tiempo).

Los hemisferios de Magdeburgo: una demostración histórica del vacío

En 1654, Otto von Guericke (alcalde de Magdeburgo y científico) realizó un experimento destacado para demostrar el efecto de la presión atmosférica:

• Dos hemisferios metálicos de 30 cm de diámetro se ensamblaron herméticamente.
• El aire del interior se extrajo (con una bomba de vacío rudimentaria), creando un vacío parcial.
• La presión atmosférica exterior (≈ 10⁵ Pa) ejerció una fuerza teórica de ≈ 7.000 N sobre los hemisferios (diámetro 30 cm).
• En 1657, ante el emperador Fernando III en Ratisbon, 16 caballos (8 a cada lado) fracasaron en separarlos.