¿Qué es el vacío? De acuerdo a la Real Academia Española, una de las definiciones de vacío es “espacio carente de materia”. Ésta es la acepción más natural y utilizada, y podríamos pensar que en el vacío no se produce ningún fenómeno de interés. Sin embargo, la física nos da sorpresas. Supongamos que estamos en una habitación y sacamos todos los objetos que hay en ella. Evacuamos también el aire. Podemos rodear la habitación con gruesas paredes hechas con materiales que eviten que entren ondas electromagnéticas (ondas de radio, luz visible, rayos X), rayos cósmicos y cualquier otro tipo de partículas. Bajamos las temperaturas de las paredes hasta el cero absoluto, -273ºC, para que no produzcan radiación electromagnética. Intuitivamente, y también en el marco de la física clásica, diríamos que no hay ningún proceso físico ocurriendo allí.
Pero la situación es más complicada. A principios de siglo XX se desarrolló la Mecánica Cuántica, una de las teorías más exitosas y precisas de la ciencia, que permite comprender la estructura molecular, atómica, nuclear y el subnuclear. La mecánica cuántica contiene el denominado principio de incertidumbre de Werner Heisenberg (1901-1976). Este principio implica, entre otras cosas, que no es posible anular completamente los campos eléctricos y magnéticos. Aún en vacío, hay una cierta cantidad de energía, denominada la “energía del vacío”, asociada a esos campos que no se anulan. Con posterioridad se descubrió que a partir de esta energía se pueden predecir una variedad de fenómenos muy interesantes.
En 1948, el físico holandés Hendrik Casimir (1909-2000) predijo que esta energía daría lugar a un nuevo tipo de fuerzas: dos objetos conductores, sin carga eléctrica, deberían estar sometidos a una fuerza atractiva de muy corto alcance que crece rápidamente cuando los objetos están separados por una distancia muy pequeña. La fuerza se produce porque los objetos influyen sobre los campos presentes en el vacío, y la energía del vacío tiende a bajar cuando los cuerpos se acercan.
La interacción es muy débil a escalas macroscópicas (por ejemplo cuando los objetos están separados por algunos milímetros), y se hace apreciable recién cuando la distancia es aproximadamente una milésima de milímetro. Estas fuerzas de Casimir son muy difíciles de medir. De hecho, se logró hacerlo con buena precisión recién a partir de 1998. Desde entonces, la “fuerza del vacío” ha sido claramente confirmada experimentalmente. También conocemos mucho mejor sus propiedades desde el punto de vista teórico: podemos calcular cómo depende de las propiedades de los materiales y de la forma geométrica de los objetos.
La fuerza se hace mucho más intensa cuando las distancias entre objetos son muy chicas, llegando a producir una presión de aproximadamente una atmósfera entre placas metálicas cuando la distancia es de 10 millonésimas de milímetro. Por lo tanto, es relevante en sistemas microelectromecánicos, un ejemplo más de cómo la ciencia básica puede influir en los desarrollos tecnológicos. En este aspecto, es interesante remarcar que el propio Casimir, un destacado físico teórico, dedicó buena parte de su carrera profesional a trabajar en la industria electrónica holandesa.
La fuerza de Casimir tiene el mismo origen que las denominadas fuerzas intermoleculares de Johannes Van der Waals (1837-1923), que son las que permiten explicar la habilidad de ciertos reptiles (geckos) de caminar por superficies verticales o cabeza abajo, a partir de la intensa fuerza que se genera entre cada uno de los centenares de miles de pelos de sus patas y las superficies por las que se desplazan.
Cuando los objetos están en movimiento, aparecen nuevos fenómenos asociados a la energía del vacío. Uno de ellos, denominado “efecto Casimir dinámico”, consiste en la creación de fotones producida por un objeto neutro que se desplaza aceleradamente en vacío. Para observar este sorprendente efecto sería necesario llegar a velocidades cercanas a la de la luz, cosa que es técnicamente imposible en la actualidad para cuerpos macroscópicos.
Sin embargo, en 2011 se logró medir un análogo del efecto Casimir dinámico simulando el movimiento de espejo con dispositivo superconductor.
Pero esto no es todo. La energía del vacío también tiene sus implicancias gravitatorias. Por un lado, la fuerza de Casimir debe ser tenida en cuenta en experimentos que buscan pequeñas desviaciones a la ley de gravitación universal de Newton, cuando se mide la atracción gravitacional entre dos objetos muy cercanos. Por otro lado, podría ser importante a escalas mucho más grandes, en astrofísica y cosmología.
Sabemos que nuestro universo está expandiéndose. Yendo hacia atrás en el tiempo, nuestro universo era más denso y más caliente. Hacia el futuro, más diluido y más frío. ¿Pero, cómo se expande? Observaciones de supernovas lejanas realizadas hacia fines del siglo XX (casualmente también en 1998) mostraron una característica sorprendente: la expansión es acelerada, es decir, ocurre a un ritmo cada vez mayor, contrariamente a lo que se pensaba hasta ese momento. Esta observación llevó inmediatamente a la discusión teórica acerca del origen físico de la aceleración, dado que la gravedad es una fuerza atractiva, y que por lo tanto se esperaba una expansión desacelerada.
Los astrofísicos y cosmólogos han denominado “energía oscura” a esta, todavía desconocida, fuente de aceleración del universo. Estimaciones actuales indican que la energía oscura constituye aproximadamente el 70% del contenido de masa-energía de nuestro universo. Cuando se considera la energía del vacío asociada a todos los campos presentes en el universo (no sólo eléctricos y magnéticos), la conclusión es que debería producir una expansión acelerada, aunque a un ritmo muchísimo mayor que el observado. Esta diferencia entre la predicción teórica y la observación es un problema abierto de la física. La energía oscura y su eventual relación con la energía del vacío es un tema de investigación actual, que busca responder uno de los grandes enigmas de la cosmología: ¿cuál es el contenido de materia y energía del universo?
*El autor es Investigador Conicet. Profesor Instituto Balseiro.
Edición y producción: Miguel Títiro
