Nada (concepto)

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La nada se define como ausencia e inexistencia de cualquier objeto. Según el contexto, existen varios conceptos de nada. La necesidad de este concepto es un escollo para el realismo ingenuo y el empirismo, porque, a ese respecto, en la realidad no existe equivalente. Para las personas comunes, la "nada" significa algo muy diferente a lo que los científicos consideran.

Concepto de vacío

El concepto de un vacío real puede parecer ridícula. Si dos cuerpos están separados por la nada, ¿no estarán, en realidad, en contacto? ¿Cómo puede el vacío mantener las cosas separadas o tener propiedades como tamaño y límites?

El espacio vacío es más que ausencia de cosas (de algo) y desempeña un papel importante en la física moderna. Una línea de pensamiento que aparece por primera vez en el trabajo de Parménides, en el siglo V a.C. y que se relaciona con Aristóteles, mantenía que dicho espacio está, de hecho, relleno de un medio invisible.

Fotones entre dos espejos en el vacío

Leucipo y Demócrito discrepaban de lo anterior. Según su punto de vista, el cosmos consiste en un vacío ilimitado, poblado de pequeñas e indivisibles partículas, o átomos, que se agrupaban en diversas combinaciones para formar objetos materiales. Tales debates metafísicos estuvieron de moda en la Edad Media, e incluso, después.

Isaac Newton y Aristóteles creían que el espacio entre los cuerpos debe estar relleno de un medio de una clase inusual. Aunque es invisible, no produce fricción, ya que la Tierra lo atraviesa en su camino alrededor del Sol, sin que encuentre resistencia alguna.

Sustancia sin cuerpo

Durante el siglo XIX, la naturaleza del espacio vacío empezó a estudiarse en un nuevo contexto: el misterio de cómo un cuerpo con carga magnética siente atracción hacia otro; o cómo un imán “siente” la presencia de otro. La explicación del químico Michael Faraday era que los cuerpos magnéticos creaban regiones de influencia -campos- alrededor de sí mismos, algo que otros cuerpos experimentaban con una fuerza.

¿Qué eran exactamente esos campos? Una de las maneras en que los físicos de la época les gustaba explicarlos era invocando un medio invisible que rellenaba el espacio, tal como decía Newton. Los campos eléctricos y magnéticos pueden ser explicados como torsiones de ese medio, el cual se empezó a conocer como “éter luminífero”, o simplemente 'éter', y tuvo una enorme influencia en la ciencia del siglo XIX. Esta idea fue muy popular entre los espiritistas, a quienes les encantaba su fantasmagoría, e inventaron ideas oscuras sobre “cuerpos etéreos” que, según decían, sobrevivían a la muerte.

Electricidad y el magnetismo

Cuando James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo, en la década de 1860, proporcionó un hábitat natural para las ondas electromagnéticas fantasmagóricas que su teoría predecía: eran similares a las ondas de radio y de luz.

Poco después de que Maxwell publicara su teoría, el viejo problema del movimiento relativo volvió a ser cuestionado. Aun cuando nuestro planeta no siente fricción mientras se desliza por el éter, cualquier movimiento en relación con él debería producir efectos medibles. El más notable, la velocidad de la luz, debería depender de la velocidad y dirección del movimiento de la Tierra.

Sin embargo, los intentos por detectar dicho efecto fueron futiles. Pero Einstein vino al rescate. Su Teoría de la Relatividad especial, publicada en 1905, sugiere que el movimiento de un cuerpo debe ser siempre juzgado en relación con otro cuerpo y no con el espacio mismo o con algún material invisible que lo rellene. Los campos eléctrico y magnético existen, pero ya no como torsiones de un medio que rellena el espacio. Su fuerza y dirección, además de las fuerzas que ejercen, cambian con el movimiento del observador, de tal forma que la velocidad de la luz, al medirla, siempre es la misma, independientemente de cómo se mueva el observador.

De este modo, la propuesta sobre la existencia del éter resulta ser una complicación innecesaria. Si bien es correcto decir que una región del espacio que posee un campo eléctrico o magnético no está vacía, el meollo del asunto de la “materia” que contiene está muy lejos de parecerse a lo que normalmente consideramos como materia. Los campos poseen energía y ejercen presión, aunque no están compuestos de nada más sustancial.

Hallazgo cuántico

Hubo un giro que puso el problema del espacio vacío bajo una luz diferente. Surgió de la mecánica cuántica. A nivel atómico, la previsibilidad del universo newtoniano se rompió para se remplazada por reglas alternativas. Por ejemplo, señalaba que una partícula, como un electrón, no se mueve de A a B con una trayectoria definida. En un momento, su posición y movimiento serán, hasta cierto punto, inciertos.

Lo que es cierto para un electrón lo es también para todas las entidades físicas, incluidos los campos. Un campo eléctrico, así, fluctúa en intensidad y dirección como resultado de la incertidumbre cuántica, incluso aunque sea neutro en su conjunto. Imaginemos una caja de metal sin cargas eléctricas -de hecho, que no contenga más que vacío- de forma que ningún campo eléctrico pueda penetrar desde el exterior. Según la mecánica cuántica, aún así existiría un campo eléctrico irreductible en su interior que, a veces se manifestará de una forma en algún momento, o de otras, en subsecuentes ocasiones. En conjunto, estas fluctuaciones sumarán cero, de modo que una medida en crudo no detectará actividad eléctrica. Pero una cuidadosa medición a nivel atómico sí lo hará.

Aunque el campo de fuerza de las fluctuaciones será cero de media, la energía no lo es, porque la de un campo eléctrico es independiente de su dirección. ¿Cuánta energía hay en una caja vacía de un tamaño determinado? Los cálculos que se hacen según la teoría cuántica llevan a una conclusión aparentemente sin sentido: no hay límite. El vacío no está vacío, contiene una cantidad ilimitada de energía.

Los físicos han encontrado un modo de sortear este desbarajuste, solo si se hace una pregunta diferente. Si hay dos cajas de metal de diferente forma o tamaño, ¿cuál es la diferencia en las respectivas energías cuánticas de su vacío? Aunque la diferencia es minúscula, se puede medir en un laboratorio, lo que prueba que las fluctuaciones cuánticas son reales y no una predicción teórica deschavetada.

Así que el concepto moderno de vacío es el fermento de la actividad de un campo cuántico, con ondas que surgen al azar aquí y allá. En mecánica cuántica, las ondas tienen características de partículas, de modo que el vacío cuántico se describe a menudo como un mar de partículas de vida breve; fotones para el campo electromagnético; gravitones, para el gravitatorio; etc., que surgen de ninguna parte y que desaparecen de nuevo.

Un vacío puede parecer como un espacio lleno de nada, pero los científicos han descubierto una nueva forma de llegar a aparecer algo de esa nada, como la luz. Y el hallazgo podría en última instancia, ayudar a los científicos a construir computadoras cuánticas increíblemente poderosas o arrojar luz sobre los primeros momentos de la historia del universo.

Según la mente del ciudadano de a pié, el vacío que conocemos como la nada no contiene ni materia ni energía. Sin embargo, para los físicos de la teoría cuántica sí contiene fluctuaciones, es decir, transiciones entre algo y "nada", en la que la existencia potencial se puede transformar en la existencia real al añadírsele energía. (Energía y materia son equivalentes ya que toda la materia consiste, en última instancia, de paquetes de energía.)

Las partículas virtuales

La física cuántica explica que existen límites a la precisión con que uno puede conocer las propiedades de las unidades más básicas de la materia, por ejemplo, uno no puede conocer la posición de una partícula y el momentum al mismo tiempo. Una consecuencia extraña de esta incertidumbre es que el vacío no está completamente vacío, sino que está repleto de "partículas virtuales" que constantemente entran y salen de la existencia.

Estas partículas virtuales suelen aparecer en parejas que casi instantáneamente se aniquilan a sí mismas. No obstante, antes de que desaparezcan, pueden tener efectos muy reales en su entorno. Por ejemplo, los fotones (paquetes de luz) pueden entrar y salir de un vacío. Cuando dos espejos se colocan uno frente al otro en el vacío, pueden existir más fotones virtuales en el exterior de los espejos que entre ellos, generando una fuerza aparentemente misteriosa que empuja a los espejos para que se junten.

Este fenómeno fue predicho en 1948 por el físico holandés Hendrick Casimir y es conocido como el efecto Casimir.

Por lo tanto, el espacio totalmente vacío de la "nada" es en realidad un hervidero de creación y aniquilación, que al mundo ordinario parece tranquilo porque la magnitud de las fluctuaciones en el vacío es muy pequeña y las fluctuaciones tienden a anularse entre sí.

El vacío es sin duda el objeto más misterioso y escurridizo que solo se da a conocer por los indicios más indirectos

~Dr. Stephen M. Barnett

Pero los experimentos con aceleradores de partículas gigantes han demostrado que todos los tipos imaginables de partículas subnucleares (junto con su equivalente de partículas de antimateria) está constantemente apareciendo en existencia en el vacío sólo para reunirse de inmediato con su antipartícula en una aniquilación mutua. Estas "partículas virtuales de vida corta" se pueden convertir en una partícula real con el suministro de la energía necesaria, una tarea hecha posible por los aceleradores de partículas modernos.

Los fotones en el vacío

Las "partículas virtuales" pueden convertirse en fotones reales en las condiciones adecuadas. La velocidad de la luz en el vacío es constante, según la teoría de la relatividad de Einstein, pero su velocidad pasando a través de cualquier material dado depende de una propiedad de la sustancia conocida como índice de refracción. Mediante la variación de índice de refracción de un material, los investigadores pueden influir en la velocidad a la que los dos fotones reales y virtuales viajan dentro de ella.

En experimentos, los investigadores han detectado fotones que coinciden con las predicciones del efecto Casimir dinámico. Por ejemplo, estos fotones deben mostrar la extraña propiedad de entrelazamiento cuántico, es decir, mediante la medición de los detalles de uno, los científicos pueden saber, en principio, cómo es exactamente su contraparte.

Este, y una serie de otros trabajos recientes, demuestran que el vacío no está vacío, sino lleno de fotones virtuales.

Vacío con energía y presión

Onda o partícula, obtenemos una representación del vacío que nos recuerda al éter. No nos da un marco de quietud con respecto al cual se pueda decir que se mueven los cuerpos, pero rellena todo el espacio y tiene propiedades físicas mesurables, como la densidad de energía y la presión.

Uno de los aspectos más estudiados del vacío cuántico es su acción gravitatoria. Ahí fuera, en el cosmos, hay mucho espacio, todo él, quizá, saturado de fluctuaciones del vacío cuántico. Esas partículas que surgen de la nada y desaparecen deben pesar algo. Quizá esa masa es suficiente para componer el conjunto de la fuerza gravitatoria del universo; tal vez, de hecho, es suficiente para superar la gravedad de la materia ordinaria.

En el caso de que la presión del vacío cuántico sea negativa (una presión negativa es una tensión), el efecto gravitatorio es negativo también. Es decir, que las fluctuaciones del vacío cuántico de presión negativa sirven para crear una fuerza repelente o antigravitatoria.

Energía oscura

En 1917, antes de la mecánica cuántica, Einstein había predicho que que el espacio vacío tendría un efecto antigravitatorio semejante. No podía poner un número a la intensidad de esa fuerza y más tarde abandonó la idea. Algunos cálculos sugieren que la presión del vacío cuántico debería ser negativa en un espacio con la geometría de nuestro universo.

Para asegurarlo, se empezaron a sumar pruebas procedentes de las observaciones de supernovas: una fuerza antigravitatoria causa que el universo se expanda cada vez más aprisa. El vacío cuántico o “éter”, supuesto responsable, al menos parcialmente, hoy se conoce como “energía oscura”.

La noción de que el espacio es vacío sin propiedades físicas ya no se sostiene. Según funcione la energía oscura, el universo seguirá expandiéndose en una huida frenética que culminará en un vacío oscuro en el que la materia y la radiación se diluyan a niveles infinitesimales; quizá colapse sobre sí mismo en un “big crunch”.

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