O vácuo absoluto é uma utopia?

O vácuo e o ultra-alto vácuo: De Magdeburgo ao LHC — Os hemisférios de Magdeburgo são um dispositivo experimental de Otto von Guericke, usado em 1654 para demonstrar a existência do vácuo e o conceito de pressão atmosférica. Cavalos puxam dois hemisférios herméticos, que possuem uma válvula de extração de ar. Fonte da imagem: Deutsche Fotothek (nova janela)

Nada vs. vácuo: conceitos radicalmente diferentes

Não se deve confundir vácuo com nada.

O nada é a ausência absoluta de tudo: sem matéria, sem energia, sem espaço, sem tempo. É um conceito metafísico, impossível de observar ou reproduzir experimentalmente.
O vácuo é um conceito físico e filosófico que designa a ausência de matéria em um volume dado. Ao contrário do nada, o vácuo pode conter energia (campos eletromagnéticos, flutuações quânticas).

Na linguagem cotidiana, um recipiente "vazio" (um copo, uma garrafa) está, na verdade, cheio de ar. À pressão atmosférica, um milímetro cúbico de ar contém cerca de 2 × 10¹⁹ moléculas, ou seja, dois quintilhões. Essa densidade ilustra a ambiguidade do termo: se o vácuo nunca é total, ele merece seu nome?

O vácuo na física: um limite experimental

Os físicos definem o vácuo como o estado obtido após a remoção de toda matéria detectável em um volume dado, de acordo com os limites tecnológicos atuais. Trata-se, portanto, de um vácuo relativo, nunca absoluto.

O ultra-alto vácuo é atingido em pressões inferiores a 10^-7 Pa (10^-9 mbar). Nesse nível, a densidade molecular cai para cerca de 2 milhões de moléculas por centímetro cúbico.
Para comparação, o espaço interestelar contém em média 1 átomo por centímetro cúbico, e o vácuo intergaláctico chega a 1 átomo por metro cúbico.

Como criar um vácuo parcial?

Usa-se uma bomba de vácuo para extrair as moléculas de um volume hermético. A qualidade do vácuo é medida pela pressão residual, expressa em:

Pascal (Pa) (unidade SI): 1 Pa = 1 N/m².
Milibar (mbar): 1 mbar = 100 Pa (uso industrial).
Torr: 1 Torr ≈ 133,322 Pa (histórico, baseado na pressão exercida por 1 mm de mercúrio).

Na Terra, os melhores ultra-altos vácuos atingem 10^-10 a 10^-12 Pa (ex.: aceleradores de partículas como o LHC (grande Colisor de Hádrons)). Mesmo nessas condições, moléculas persistem, e o vácuo permanece relativo.

Pressão em pascals (Pa): 1 Pa corresponde a uma força de 1 newton (N) aplicada uniformemente sobre 1 metro quadrado.
Definição do newton (N): Unidade de força do SI. 1 N é a força capaz de comunicar a uma massa de 1 kg uma aceleração de 1 m/s².
Exemplo: Uma aceleração de 1 m/s² significa que a velocidade de um objeto aumenta em 3,6 km/h a cada segundo (1 m/s = 3,6 km/h).

O vácuo e os campos eletromagnéticos: uma energia invisível

Ao contrário do que muitos pensam, o vácuo não está "vazio" de energia:

As ondas eletromagnéticas (luz, rádio, raios X) propagam-se no vácuo sem meio material. Elas correspondem a variações dos campos elétrico e magnético, transportando energia.
Na mecânica quântica, o vácuo é sede de flutuações quânticas: pares partícula-antipartícula aparecem e desaparecem espontaneamente (efeito Casimir (efeito quântico em que duas placas metálicas se atraem no vácuo devido às flutuações do vácuo quântico)).

Um vácuo total implicaria, portanto, a ausência tanto de matéria quanto de radiação/energia. Tal estado não existe no universo observável (onde a radiação cósmica de fundo preenche o espaço a 2,7 K), nem em laboratório.

Einstein e a relatividade: o fim do vácuo absoluto?

Em Relatividade: Teoria Especial e Geral (1916), Albert Einstein (1879-1955) dedica um apêndice ao problema do espaço e do vácuo. Ele cita René Descartes (1596-1650) e Emmanuel Kant (1724-1804), e rejeita a ideia de um espaço vazio de campos:
« Os objetos físicos não estão no espaço, mas estes objetos têm extensão espacial. Assim, o conceito de espaço vazio perde seu sentido. »
Albert Einstein, prefácio à 9ª edição (1952).
Para Einstein, o espaço-tempo é uma entidade dinâmica, moldada pela matéria e energia (equação E = mc²). O "vácuo" torna-se então um campo de potenciais, onde mesmo a ausência de matéria deixa espaço para propriedades geométricas (curvatura do espaço-tempo).

Os hemisférios de Magdeburgo: uma demonstração histórica do vácuo

Em 1654, Otto von Guericke (prefeito de Magdeburgo e cientista) realizou um experimento marcante para demonstrar o efeito da pressão atmosférica:

Dois hemisférios metálicos de 30 cm de diâmetro foram selados hermeticamente.
O ar do interior foi bombeado (com uma bomba de vácuo rudimentar), criando um vácuo parcial.
A pressão atmosférica externa (≈ 10⁵ Pa) exerceu uma força teórica de ≈ 7.000 N sobre os hemisférios (diâmetro 30 cm).
Em 1657, diante do imperador Fernando III em Ratisbona, 16 cavalos (8 de cada lado) falharam em separá-los.