¿Podría el vacío contener energía oscura, partículas gravitatorias y motores sin fricción?

Cuando la próxima revolución sacuda la física, lo más probable es que sea sobre la nada — el vacío, la infinita nada sin fin. En una disciplina donde el alargamiento del tiempo y la curvatura del espacio son suposiciones de trabajo rutinarias, el vacío permanece como una especie de koan cósmico. Y como en el resto de la física, su naturaleza ha resultado ser alucinantemente extraña: El espacio vacío no está realmente vacío debido a que la nada contiene algo, bullendo con energía y partículas que entran y salen de la existencia. Los físicos han conocido mucho de esto desde hace décadas, desde el mismo nacimiento de la mecánica cuántica. Pero sólo en los últimos 10 años el vacío ha tomado la posición central como fuente de misterios confusos como la naturaleza de la materia y energía oscura; sólo recientemente el vacío ha resultado ser un tentador faro para los excéntricos. Como diría una célebre rubia heredera y personificación de la vacuidad, la nada está que arde.

Para investigar los misterios del vacío, algunos físicos están usando los mayores instrumentos científicos jamás construidos — el recientemente completado Gran Colisionador de Hadrones, un gigantesco acelerador de partículas a caballo en la frontera franco-suiza. Otros diseñan experimentos de sobremesa para ver si pueden sondear el vacío buscando formas de que alimente extraños y nuevos dispositivos nanotecnológicos. “El vacío es uno de los lugares en los que nuestro conocimiento se esfuma y nos quedamos con toda clase de ideas locas”, dice John Baez, físico matemático de la Universidad de California en Riverside. Ya sea en la visionaria búsqueda del motor de la expansión cósmica o en la empresa casi vana de la perpetua energía gratis, el vacío es donde está teniendo lugar. Excavando en las riquezas del vacío, una auténtica Teoría del Todo aún puede surgir.

El espacio vacío no ha estado siempre tan mistificado. Hasta la década de 1920 los físicos veían el vacío como lo vemos la mayor parte de nosotros: como una nada sin características, un auténtico vacío. Todo eso cambió con el nacimiento de la mecánica cuántica. De acuerdo con tal teoría, el espacio alrededor de una partícula está repleto de incontables partículas “virtuales” que entran y salen rápidamente de la existencia como un espectáculo invisible de fuegos artificiales.

Esas partículas cuánticas virtuales son más que una abstracción teórica. Hace sesenta año un físico holandés llamado Hendrik Casimir sugirió un simple experimento para demostrar que las partículas virtuales pueden mover objetos en el mundo real. ¿Qué sucedería, preguntó, si colocamos dos placas de metal muy cerca una de otra en un completo vacío? En los días antes de la mecánica cuántica, los físicos habrían dicho que las placas permanecerían en su sitio. Pero Casimir se dio cuenta de que la presión neta de todas las partículas virtuales — la materia del espacio vacío — fuera de las placas ejercería una fuerza minúscula, un golpecito desde la nada que empujaría a las placas a unirse.

Los físicos trataron durante décadas de medir la fuerza de Casimir con gran precisión, pero no fue hasta 1997 cuando se tuvo la tecnología para encajarla con la teoría. En ese año, el físico Steve Lamoreaux, ahora en Yale, logró detectar la minúscula fuerza de Casimir entre dos pequeñas superficies separadas sólo unas pocas milésimas de milímetro. Su fuerza era aproximadamente igual a la fuerza que ejercería contra la palma de la mano el peso de una única célula de glóbulos rojos.

Al principio la mayoría de los físicos consideraron la fuerza de Casimir como una rareza cuántica, algo sin valor práctico. Ahora eso ha cambiado: Los visionarios lo ven como una importante fuente de energía para las máquinas más diminutas, los dispositivos a nanoescala, y algunos laboratorios están trabajando en formas de usar la fuerza para desafiar las limitaciones convencionales del diseño mecánico. Federico Capasso, físico en Harvard, lidera un pequeño equipo que trata de crear una fuerza de Casimir repulsiva haciendo pequeños ajustes en las formas de las placas o con las coberturas usadas para recubrirlas. Todo su conjunto de experimentos puede colocarse en un escritorio, y los objetos con los que trabaja son tan pequeños que la mayor parte de ellos no pueden verse sin un microscopio.

“Una vez tienes la fuerza repulsiva entre las dos placas, deberías poder eliminar la fricción estática”, dice Capasso. Eso te llevaría a un conjunto de aplicaciones útiles, incluyendo diminutos rodamientos o nanomotores que giran sin tocarse. “Pero los experimentos sin enormemente complejos, por lo que no puedo decirle cuándo y cómo”.

A pesar de toda su extrañeza, la fuerza de Casimir puede ser la única propiedad del espacio vacío que no desconcierta a los físicos actuales. Es la variedad de la mecánica cuántica, extraña pero no inesperada. Lo mismo puede decirse de la energía oscura, un descubrimiento verdaderamente asombroso realizado por los astrónomos hace aproximadamente una década observando las estrellas en explosión. Las explosiones revelaron un universo en expansión a un índice cada vez mayor, un hallazgo que no encajaba con las expectativas anteriores de que la expansión del espacio debería estar decelerando, frenada por el tirón gravitatorio colectivo de toda la materia de allí afuera. Alguna desconocida forma de energía — los físicos la llaman energía oscura simplemente por la falta de un término más descriptivo — parece estar construida sobre el mismo tejido del espacio, contrarrestando el tirón gravitatorio de la materia y empujando todo en el universo hacia su separación. Algunos teóricos especulan que la energía oscura podría causar una expansión desbocada del universo, con el resultado del conocido como Big Rip en aproximadamente 50 000 millones de años desde ahora, lo que podría romper el cosmos en pedazos, rasgando incluso los átomos.

Las observaciones han permitido a los físicos estimar la cantidad de energía oscura deduciendo la fuerza necesaria para producir el efecto de aceleración. El resultado es una minúscula cantidad de energía por cada metro cúbico de vacío. Dado que la mayor parte del cosmos consiste en espacio vacío, no obstante, estas pequeñas cantidades se suman, y la cantidad total de energía oscura domina completamente la dinámica del universo.

Con el descubrimiento de la energía oscura llegaron algunas difíciles cuestiones: ¿Qué es esta energía, y de dónde procede? Los físicos, simplemente, no lo saben. De acuerdo con la mecánica cuántica, la energía del espacio vacío procede de las partículas virtuales que moran allí. Pero cuando los físicos usaron las ecuaciones de la teoría cuántica para calcular la cantidad de energía virtual, obtuvieron un número ridículamente elevado — aproximadamente 120 órdenes de magnitud mayor. Tal cantidad de energía literalmente haría estallar el universo: Objetos a unos pocos centímetros de nosotros serían transportados a distancias astronómicas; el universo literalmente duplicaría su tamaño cada 10^-43 segundos, y seguirían duplicándose a ese índica hasta que desapareciera la energía del vacío. Este puede ser el hueco más colosal entre la teoría y observación en la historia de la ciencia. Y significa que los físicos están pasando por alto algo fundamental sobre cómo funciona el universo.

“Hemos hecho una predicción en base a nuestras mejores teorías, y está equivocada, totalmente equivocada”, dice Sean Carroll, físico teórico del Instituto Tecnológico de California. “Esto significa que no podemos simplemente juguetear con un parámetro aquí y allí; realmente tenemos que pensar profundamente sobre qué son nuestras teorías”.

Incluso si nadie sabe de dónde procede la energía del espacio vacío o por qué tiene el valor que tiene, no hay duda de que existe. Y si hay energía disponible, es inevitable que haya alguien pensando en cómo explotarla. Lo noción de energía ilimitada a partir del espacio vacío a inspirado a legiones de aspirantes a físicos que sueñan con desarrollar el dispositivo final de movimiento perpetuo, una máquina que resolvería los problemas energéticos del mundo para siempre. Una rápida búsqueda por Internet con las palabras energía gratis y vacío arroja páginas y páginas de esquemas para aprovechar la energía del vacío. Pregunté a John Baez si tales esfuerzos están tan desahuciados como las anteriores máquinas de movimiento perpetuo. ¿Son igualmente locas y condenadas al fallo?

“Tal vez no tan condenado como probar que el mundo es plano”, dijo Baez. “Una cosa que puedo decir con seguridad es que espero que no funcione, porque si pudieses extraer energía del vacío, eso significaría que el vacío no es estable. Para los físicos normales”, añade con una sonrisa, “la definición de vacío es la situación de menor energía posible — aquello que tiene menos energía que cualquier otra cosa”. Para abreviar, dice Baez, aunque seamos capaces de obtener energía del vacío, de tener éxito “significaría que el universo es mucho más inestable de lo que jamás soñamos”.

El razonamiento es como sigue: Si el vacío no es el estado de menor energía posible, entonces en algún punto del futuro, el vacío podría caer a un estado menor, emitiendo energía que podría amenazar la propia estructura del cosmos. Si algún ingeniero inteligente fuese capaz de extraer energía del vacío, podría desencadenar una reacción en cadena que se expandiría a la velocidad de la luz y destruiría el universo. Energía gratis, sí, pero no lo que los inventores tienen en mente.

Por lo que tal vez no podamos obtener energía del vacío, pero podríamos pronto lograr ciertos beneficios del espacio vacío: La confirmación de una teoría de 40 años de antigüedad y, con algo de suerte, algo de física radicalmente nueva.

Este otoño el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzará a lanzar protones al 99,99 por ciento de la velocidad de la luz en direcciones contrarias a lo largo de un camino circular de 28 km. En los restos de las colisiones siguientes, los físicos esperan hallar evidencias de otros extraños componentes del espacio vacío, uno que explicaría porqué las partículas tienen masa. Junto con las partículas virtuales y la energía oscura, los teóricos creen que el universo contiene algo conocido como campo de Higgs. Al igual que la energía oscura, se cree que el campo de Higgs impregna todo el espacio. Pero al contrario que el descubrimiento de la energía oscura, la cual fue completamente inesperada y aún es inexplicable, la detección del campo de Higgs no sorprendería a los físicos en absoluto. Lo han estado buscando desde que Peter Higgs, físico de la Universidad de Edimburgo, propuso su existencia en 1964.

Higgs quería explicar por qué la materia tiene masa, y más específicamente por qué cada partícula tiene una masa diferente. Teorizó la existencia de un campo invisible que llenaba todo el espacio y argumentó que las partículas adquieren masa interactuando con este campo. Lo que interpretó como la masa de una partículas es en realidad su interacción con el campo de Higgs. Una analogía lejana podría ser pensar en colocar una canina en sirope: Cuanto más pegajoso es el sirope, más difícil sería empujar la canica.

Si el campo de Higgs existe, el LHC debería encontrar antes una partícula invisible conocida como bosón de Higgs. Así como la luz, que es un campo electromagnético, se transmite mediante partículas llamadas fotones, los físicos esperan que el efecto de asignación de masa del campo de Higgs sea transportado por el bosón de Higgs.

El descubrimiento del bosón de Higgs daría respuesta a uno de los misterios más básicos de nuestra realidad, y aún así los físicos parecen extrañamente desinteresados sobre sus posibilidades. “Si se encuentra, no sería en realidad tan apasionante”, dice Baez. “Sería una ayuda, tal vez. Bueno, sería apasionante, pero sólo en el sentido de cuando pierdes tus llaves y las encuentras de nuevo. Seguramente alguien ganaría el Premio Nobel por esto, pero después del entusiasmo inicial, los físicos de partículas volverían a ser unos gruñones debido a que simplemente significaría que lo que pensamos que era cierto, lo era, y todas esas cosas que no comprendemos seguiríamos sin comprenderlas, y no habría nuevas pruebas”.

Algunos investigadores, sin embargo, esperan que el LHC de cómo resultado algunas pruebas de algo realmente nuevo — dimensiones adicionales del espacio. De acuerdo con la Teoría M — el último y más audaz intento de explicar el funcionamiento fundamental de la física — el espacio alrededor nuestro podría estar hecho de nada más y nada menos que 11 dimensiones. La Teoría M propone que los bloques básicos finales del universo no son partículas, sino diminutos bucles vibrantes de energía, o cuerdas, como las llaman los físicos. Por complejas razones matemáticas, estos bucles necesitan 11 dimensiones en las que vibrar; de otra forma la teoría no funciona. Experimentamos sólo cuatro dimensiones (tres de espacio y una de tiempo) en la vida cotidiana debido a que las otras siete se supone que son tan pequeñas que no las notamos. Se harían evidentes sólo a escala subatómica.

Una forma de describir esto es imaginar un equilibrista andando sobre una cuerda a gran altura. Para el funámbulo el cable es esencialmente unidimensional, una línea que apunta en una dirección. Pero para una hormiga que se arrastre por el cable lo vería como un objeto bidimensional; la hormiga podría gatear por completo alrededor del cable, experimentando una dimensión que es inaccesible al funámbulo. Los teóricos de cuerdas dirían que nosotros somos como el funámbulo, excepto que nuestra “cuerda” es un espacio de 11 dimensiones, del cual sólo percibimos cuatro de ellas.

Los defensores de la Teoría M han pasado tiempos difíciles convenciendo a algunos de sus colegas sobre la realidad de todas esas dimensiones extra, pero el LHC podría ganar algunos conversos. Si las dimensiones extra existen en realidad, algunas de las partículas producidas en las colisiones dentro del gran acelerador podrían deslizarse en esas otras dimensiones, y las partículas de dimensiones superiores podrían pasar a nuestro mundo de cuatro dimensiones. Por lo que si los físicos evidencian una carencia o aumento en sus recuentos de partículas en el acelerador, podría ser la primera prueba de la llegada de una nueva física completamente nueva. “Probablemente sea lo que sea la verdad, será una locura, debido a que históricamente la verdad en física siempre parece estar mucho más lejos de lo que nadie pudo haber imaginado”, dice Baez.

A algunos físicos les gusta pensar que la Teoría M formará la base de lo que llaman una Teoría del Todo, un conjunto de leyes que describirá completamente el universo en toda su extrañeza, donde la energía oscura, la Teoría Cuántica, las dimensiones extra, y los lectores de revistas encajarán en un ordenado paquete. Pero finalmente, la clave para la verdad cósmica podría venir de otra ventana de la realidad, el tenebroso vacío. Una buena teoría de nada bien podría ser la teoría del todo que los físicos han estado buscando tanto tiempo.

Articulo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original apareció en Discover y su autor es Tim Folger.