Energía de vacío

El vacío absoluto nunca lo ha conseguido nadie. Si un recipiente cerrado contiene, por ejemplo, aire, este aire ejerce sobre las paredes del recipiente una presión que se mide en atmósferas, siendo una atmósfera el valor de la presión atmosférica a nivel del mar. Si en un recipiente tuviéramos el vacío esta presión sería cero. Además de que para algunos experimentos se necesitan condiciones de vacío, la búsqueda de este vacío también ha sido objeto de experimentación en sí misma.  Sin embargo, el vacío absoluto no se ha alcanzado nunca. El máximo vacío que se ha conseguido hasta ahora es el que ejerce una presión sobre las paredes del recipiente de 10^–13 atmósferas.

¿Qué hay entonces dentro de un recipiente cuando se le hace el vacío? El experimento más conocido y fácil de entender es el del físico holandés Hendrik Casimir, que en 1948 introdujo dos placas metálicas, paralelas entre sí y casi juntas, en el interior de un recipiente donde se había hecho el máximo vacío posible, comprobando que experimentaban una fuerza de atracción mutua. Esta fuerza de atracción solo se puede explicar considerando que en el interior del recipiente existe un campo cuántico cuyas fluctuaciones dan lugar a la fuerza de atracción medida, que es directamente proporcional a la constante de Plank, a la velocidad de la luz y a la superficie de las placas, e inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia que separa las placas. El vacío de Casimir no era absoluto y lo que había allí dentro no era la nada. La única explicación es que dentro de ese recipiente solo había fluctuaciones cuánticas, partículas y campos cuánticos que aparecen y desaparecen de forma errática, dando lugar a lo que se llama energía de vacío.

La existencia de la energía de vacío también se pone de manifiesto cuando se estudian los niveles energéticos de los electrones en los átomos. Sucede entonces, que a veces surgen discrepancias entre los valores calculados y los valores medidos, y que estas diferencias desaparecen cuando se introducen en los cálculos los efectos debidos a la existencia de la energía de vacío. Este efecto es conocido con el nombre de efecto Lamb.

Se puede pensar por lo tanto que cuando buscamos un estado de vacío, extrayendo toda la materia posible de un recipiente, lo que encontramos es un campo cuántico en un estado de mínima energía, en el que aparecen y desaparecen miles de fluctuaciones de forma completamente errática. Estas fluctuaciones pueden ocurrir en cualquiera de sus puntos o en muchos simultáneamente por la acción de pares de partículas que aparecen de pronto y que inmediatamente vuelven a desaparecer, como indica la figura de la cabecera. Estas partículas tienen que desaparecer inmediatamente después de su aparición para que se cumpla el principio de conservación de la energía, y tienen que sumar una carga eléctrica nula para no alterar el estado neutro inicial del sistema. Esto quiere decir que pueden ser, por ejemplo, pares de fotones, que son partículas sin carga eléctrica, o pares de partículas-antipartículas, cuyas cargas eléctricas son iguales y opuestas entre sí. Estas formaciones de pares de partículas que surgen de manera espontánea y desaparecen de la misma manera, suponen la aparición y desaparición de una determinada cantidad de energía. Si las partículas son, por ejemplo, un electrón y su antipartícula, el positrón, como los dos tienen la misma masa, su propia masa es ya una forma de energía. Si son dos fotones, que son partículas sin masa, su energía es igual al producto de su frecuencia por la constante de Plank. A este fenómeno de creación y desaparición de pares de partículas es a lo que se llama fluctuación cuántica.

La energía de vacío juega un papel importantísimo en el universo actual. Veamos algunos ejemplos. Al medir la expansión del universo se ha comprobado que la velocidad de expansión es cada vez mayor. Para explicar esta expansión acelerada, que se puede medir con bastante precisión, hay que contar con una energía hasta ahora desconocida, que por ese motivo se ha llamado energía oscura, que supere con creces a las fuerzas gravitatorias que se oponen a la expansión. Hoy día se cree que esta energía oscura es energía de vacío, y su valor puede representar alrededor del setenta por ciento del balance energético total del universo.

Otro ejemplo de la presencia de la energía de vacío lo tenemos en los protones, que no son partículas simples, ya que cada protón está compuesto por tres quarks. Si se hace el balance energía-masa de un protón, nos encontramos con que la masa propiamente dicha, es decir, la suma de las masas de sus tres quarks supone solo un uno por ciento del total, por lo que el resto se atribuye a energía de vacío. Como quiera que nuestro cuerpo y todo cuanto nos rodea está lleno de protones, si esto es así, el valor de la energía de vacío en el universo es enorme.

Cuando hablamos de la Fusión Nuclear el 1 de enero pasado, mostramos en la figura 2 que tras la formación del helio, las patículas que quedaban eran las mismas que había antes de que el helio se formara, dejando allí oculta una posible pregunta: Si las partículas que quedan son las mismas que había antes de producirse la reacción, ¿de donde sale la pérdida de masa que nos da tanta energía? Aunque lo he preguntado nadie me ha dado una respuesta. Quizás la respuesta esté en la energía de vacío que se genera dentro de los protones, que puede que por alguna razón se altere tras la formación del helio.

Finalmente, recordemos también que la aparición y desparición de pares de partículas y antipartículas son la explicación de la radiación de Hawking, gracias a la cual los agujeros negros pierden energía y algún día llegarán a desaparecer, como ya comentamos en el artículo Agujeros Negros del 1 de octubre de 2021.