El vacío, ¿qué es? -Parte II- (Alejandro Álvarez Silva)

Pero, incluso a nivel no-cuántico, el vacío de la física actual tiene una estructura peculiar que se deduce de las propiedades de la relatividad general einsteniana, sobre todo en lo que se refiere a la identificación de campo gravitatorio y geometría del espaciotiempo.

Como en esta teoría el espaciotiempo no es llano, sino que tiene la estructura de un espacio curvo (matemáticamente, pseudo-riemanniano), la distancia, que en un espacio plano se define por la expresión:

s²= Σ X²  (Para la dimensión dos reproduce el teorema de Pitágoras); tomando X los valores desde 0 hasta n.

en el espacio curvo es:

s²= Σ Gij (X) Xi Xj donde i y j tienen todos los valores entre 0 y n (siendo n la dimensión del espacio).

Las Gij (X) determinan la “métrica”. Y hay que hacer la salvedad de que en relatividad, la coordenada X0 debe interpretarse como el producto del tiempo por la velocidad de la luz, X0=ct.

En relatividad general la presencia de campos gravitatorios modifican las funciones Gij (X) -por tanto, las distancias en el espaciotiempo-, lo que explica las trayectorias curvadas que siguen los cuerpos estelares, la Tierra y la propia luz. Y es que no hay “acción” a distancia como suponía Newton, sino modificación de la propia estructura del espacio. El espacio “vacío”, pues, no tiene existencia objetiva, medible: ¡no es la mera nada!

Al tener el espacio, ahora sí, existencia objetiva, puede “interaccionar” consigo mismo. En ese convencimiento, el holandés W. de Sitter especuló con un modelo de universo que a efectos prácticos era vacío,  es decir, desprovisto de materia y radiación (en el universo real la materia forma como islas que son verdaderamente minúsculas en comparación con el inmenso vacío que las rodea).

Pero, al aplicar las fórmulas de la relatividad general de Einstein, de Sitter no encontró como solución las correspondientes a una geometría plana (como podría parecer al no existir masas), sino que por el contrario indicaban que el espacio se curvaba “al interaccionar consigo mismo”. En dicho espacio de de Sitter no hay materia, ni radiación electromagnética, ni siquiera radiación gravitatoria, sin embargo, las tensiones generadas por la propia curvatura del espacio hacen que la energía no sea nula en él, pero si mínima.

Aparte del universo de de Sitter, Robertson y Walker describieron una serie de espacios generales en los que la autointeracción del espaciotiempo consigo mismo genera parte de la curvatura, y que son unos útiles modelos cosmológicos. Así que hay que suponer que como propiedad general, nuestro espacio debería ser curvo independientemente de la curvatura producida por galaxias, cuásares, etc. que en él se encuentran, por eso resulta chocante que el espacio sea a grandes distancias tan llano como indican nuestras observaciones.

Pues bien, esta estructura se complica aún más si tenemos en cuenta la mecánica cuántica, la otra gran teoría omnipresente en la física moderna.

Por ejemplo, el propio electrón al seguir las leyes cuánticas, aún libre, tiene un comportamiento muy complejo y azaroso, que se deduce de su descripción como campo electrónico, que debe ser cuantizado a su vez en lo que se llama “segunda cuantización”.

La cuantización otorga propiedades discretas a los sistemas (corpúsculos). A tales estructuras se les llama cuantos del correspondiente campo. (Los cuantos del campo electromagnético son los fotones, los del campo de electrones-positrones pueden ser electrones o positrones, los del campo gravitatorio, gravitones, etc.). Y todos los sistemas cuánticos poseen un estado de mínima energía que corresponde, por supuesto, a la ausencia de sus corpúsculos (cero fotones; cero electrones; etc.) y que representaría precisamente el vacío del campo en cuestión.

Pero el hecho de que un campo cuántico se encuentre en su estado de mínima energía, no significa que sus propiedades dejen de tener las características “fluctuantes” de los sistemas cuánticos (es decir, no desaparece). El campo de vacío interactúa, entonces, con la materia imprimiéndole sus huellas y reflejando su presencia a través del comportamiento de ésta. De aquí proviene la multiplicidad de vacíos característica de la teoría cuántica.

 

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