CienciaNebulosa

Después de tomarme unas largas y merecidas vacaciones he decidido volver a intentar derretir sus lindos cerebros con mi divertidísima divulgación científica. A pesar que disfruto bastante escribiendo estos artículos, estoy contemplando comenzar a intentar con otro formato como la grabación de videos, para hacer todo esto aún más fácil de digerir.  Ya les comentaré como avanza aquel proyecto.

 

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En esta ocasión trataré de hacerlos pensar sobre nada. Así es, van a pensar en nada. ¿Qué es la nada?

 

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Resulta que, en física, el vacío y la nada no son lo mismo. Si yo le preguntara a mi mamá que entiende por vacío me diría que, por ejemplo, un vaso que no tiene agua está vacío. Y esto sólo es válido si entendemos “vacío” como sinónimo de “ausencia de agua líquida”, pues si me pongo más quisquilloso podría refutar su definición argumentando que el vaso aún contiene moléculas de vapor de agua en su interior, incluidas en el aire que también se encuentra dentro del vaso. Si hago la misma pregunta a un estudiante de preparatoria, probablemente me responderá que el vacío es cuando sacamos todo el aire de un volumen, por ejemplo, en los alimentos sellados al “alto vacío”; pero es que ni el más “alto” de los vacíos que podemos crear en los laboratorios deja exento de moléculas de aire a un volumen cualquiera. Si, por último, hago la misma pregunta a un universitario, de seguro me responderá que un vacío es simplemente un volumen donde no hay ni un solo átomo de materia. A pesar de que esta última definición ya me deja más tranquilo, el estudiante estaría cometiendo el mismo error que mi mamá: “vacío” como sinónimo de “ausencia de materia” no es lo mismo que “vacío” como sinónimo de “ausencia de TODO”.

 

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Me explico.

 

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Probablemente estés pensando que el espacio exterior es lo más parecido a la definición de vacío que acabo de mencionar, pues en los rincones más recónditos del universo existen regiones de espacio donde no hay ni un solo átomo (en realidad la densidad de materia incluso en el mejor de los vacíos intergalácticos es de unos pocos átomos por metro cúbico). Pero no estarías tomando en cuenta que dicho rincón del espacio está lleno de otras partículas como fotones provenientes de las estrellas o incluso del mismo fondo cósmico de microondas. Esto ocasiona que nuestro “vacío” no esté tan vacío. Ya se ve por dónde van los tiros, ¿no?

 

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Pesimista - Vaso medio vacío. Optimista - Vaso medio lleno.

Físico - Vaso lleno de materia bariónica. Paco Soto - ¡Rellenen mi tarro!

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Para cualquier hijo de vecino, el concepto de vacío está directamente relacionado con la magnitud que está midiendo (agua líquida, aire, moléculas, átomos, fotones, etc). Pero, ¿existe el vacío absoluto entonces? ¿La ausencia de TODO?

Para saber la respuesta a esta cuestión primero debemos conocer TODO lo que existe o puede existir, y después determinar si podemos encontrar un volumen de espacio ausente de TODO lo que existe y puede existir.

 

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Resulta que tenemos una tablita que organiza TODAS las partículas que existen o pueden llegar a existir (sin tomar en cuenta todas las partículas que aún no conocemos, pero ni sabemos aún si de verdad existen heheh). Se llama Modelo estándar de partículas y contiene todas las partículas elementales que conocemos hasta ahora. Todas las “cosas” que no estén incluidas en esta exclusiva lista, simplemente son resultado de la combinación de estas partículas elementales.

 

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Todo lo que podemos observar que contiene el universo

está formado por estas partículas.

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¡Muy bien! Ya conocemos TODO lo que existe o puede existir. ¿Puede haber algún lugar entonces que no contenga ninguna de estas partículas elementales y lo podamos llamar “vacío absoluto”? Resulta que la cosa se complica un poco más.

 

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La teoría cuántica de campos es la forma en que entendemos y describimos cada una de las partículas del Modelo estándar. Según esta teoría (no se dejen engañar por la palabra “teoría”; este modelo es la cosa más exacta que ha logrado crear el ser humano, y se ha comprobado experimentalmente más veces de las que te ha bateado la chica que te gusta, o sea muchísimas), cada partícula del Modelo estándar es en realidad una excitación de un campo asociado a esa partícula.

 

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¿Qué quiere decir esto, señor nebuloso?

 

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Si buscas la definición de “campo” en la Wikipedia, seguramente te quedarás en las mismas pues ellos dicen que: “un campo es la distribución en el espacio de una magnitud física”. Esto quiere decir simplemente que, si en cada punto de una región del espacio puedes medir alguna magnitud, entonces estás en presencia de un campo.

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 ¿Un ejemplo? Vale.

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En la habitación donde estás, ¿Puedes medir la temperatura en cada punto del espacio? ¡Claro! Cada punto del espacio que conforma tu habitación tiene una cierta temperatura que podemos medir. Incluso, si eres lo suficientemente nerd, podrías hacer una gráfica y toda la onda. Pues bueno, ¡felicidades! Has encontrado un “campo de temperatura” en tu habitación. Existen campos escalares, que no presentan una dirección de acción (como el de temperatura); y existen campos vectoriales que además del valor de magnitud para cada punto, presentan una dirección de acción (como un campo magnético); pero eso es otra historia.

 

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Si el universo fuera la alberca, uno de los campos sería el agua, y las partículas

serían las ondas que se propagan en ella.

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Ahora bien, los campos asociados a cada una de las partículas elementales se encuentran en TODO el universo. Todos y cada uno de los puntos del espacio-tiempo están permeados por los campos elementales del Modelo estándar, en diferentes proporciones por supuesto.

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Como te comentaba, las partículas elementales son en realidad excitaciones de estos campos elementales, es decir, puntos espaciales donde el campo presenta cierta energía. ¡Ya va tomando forma!

 

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Todos estos campos tienen un estado de mínima energía, esto se interpreta como la ausencia de su partícula asociada. Elegantemente, lo llamamos Estado de vacío cuántico.

 

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Sería bastante lógico pensar que entonces el vacío es una sección en el espacio donde TODOS los campos cuánticos elementales presentan una energía de CERO. Jajajaj el universo vuelve a reírse de nosotros, pues la cosa no es tan fácil. Resulta que hay otro ligero detalle que nos dificulta nuevamente establecer de una vez por todas nuestro concepto de “vacío”.

 

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Así se ríe el universo de ti...

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El Principio de incertidumbre de Heisenberg nos impone amablemente el hecho de que nunca podemos conocer con total exactitud la cantidad de energía de un punto en el espacio. Y la razón no es que no tengamos la tecnología necesaria, ni nada de eso. Simplemente así es como funciona el universo. Suponer que un punto cualquiera en el espacio tiene energía cero todo el tiempo (nuestra anterior definición de vacío) sería violar el Principio de incertidumbre; y simplemente no se puede hacer eso.

 

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Debido a esta particularidad, el estado de menor energía de un campo nunca es cero absoluto, pero sí oscila constantemente sobre el cero. Esto quiere decir que, con tal de preservar el Principio de incertidumbre, se crean y destruyen partículas virtuales, que entran y salen de la existencia en periodos de tiempo tan cortos que nos es imposible observarlas directamente. Este hecho también se encuentra súper confirmado experimentalmente como, por ejemplo, en el efecto Cassimir.

 

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Existen simulaciones súper bonitas y súper slow motion de este efecto.

 

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Así es como luce el "vacío" en realidad. Las partículas entran

y salen de la existencia, como les da la gana.

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Ya con esto, nuestra esperanza de encontrar un “vacío absoluto” se va por la borda, debido a que nunca encontraremos un punto en el espacio completamente carente de energía. A esta energía residual del vacío se le llama Energía de punto cero. ¡Gracias universo, vuelves a decepcionarnos!

 

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Pero aquí no acaba la locura.

 

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¡Resulta que no todos los campos adoptan el comportamiento de “Vacío” cuando están en su estado de mínima energía! Entra en escena el campo de Higgs.

 

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Seguramente escuchaste en algún lado que alguien se hacía el inteligente hablando sobre el descubrimiento de la partícula de Dios. Pues bien, esta partícula se encuentra en el selecto club de Partículas elementales y es la responsable de que todas las demás partículas presenten (o no) masa, dependiendo si interactúan (o no) con él. Pero sucede algo extraño con el estado de “vacío” de su campo asociado.

 

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En todo el universo (al menos la parte que podemos observar de él) el campo de Higgs nunca topa su "estado de vacío”. A esto nos referimos cuando decimos que el campo de Higgs se encuentra en un estado de Falso vacío. En todo punto del espacio el campo de Higgs tiene un valor bastante mayorcito que cero. Esta es la razón que toda partícula que interactúe con este campo, en cualquier parte del universo, tendrá masa (hay partículas que no interactúan con el campo de Higgs, como el fotón). Pero si algo hemos aprendido del comportamiento del universo en estos últimos 200,000 años, es que TODO siempre tiende al equilibrio o, mejor dicho, TODO tiende a su estado de mínima energía.

 

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Este bonito y tierno bosón de Higgs sólo necesita un pequeño empujón

para saltar de su estado de Falso vacío actual hacía un Vacío real,

terminando con el universo como lo conocemos. 

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Algún día, por algún motivo, en algún sitio del universo; el Higgs podría alcanzar repentinamente su verdadero estado de mínima energía. Esto sería nada bonito para nosotros.

 

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La materia como la conocemos dejaría de existir de repente en un área esférica que iría expandiéndose a la velocidad de la luz por el universo. Nosotros ni nos enteraríamos, sólo dejaríamos de existir de repente. Una posible razón de que esto ocurra es la continua expansión acelerada del universo, o algún tipo de interacción desconocida provocada en algún colisionador de partículas. También es probable que aún entendamos erróneamente al campo de Higgs y esto nunca llegue a pasar heheh lo siento, pero así funciona la ciencia.

 

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Entonces, ¡ya sabes! Que no te preocupe que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en Suiza, provoque la formación de agujeros negros que terminen engullendo a la Tierra. ¡Preocúpate por que cause la rotura del falso vacío del campo de Higgs, mandando al carajo todo el universo!

 

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Pasen buena noche, dulces sueños.