Átomos y vacío: donde Demócrito conoce a Higgs

Por convención es dulce y amargo, caliente y frío, por convención es el color; realmente son átomos y el vacío.

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Demócrito (aprox. 460–370 aC)

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La vida no es más que una sombra que pasa, un pobre cómico que se pavonea y agita una hora sobre la escena y después no se le oye más; es un cuento contado por un idiota, lleno de ruido y de furia, que no significa nada.

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Shakespeare, Macbeth, Acto V, Escena V

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El vacío es un mar borboteante de nadidad, lleno de ruido y furia, y que significa mucho.

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Anónimo moderno

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La idea contenida en la cita literal que encabeza el post y que se suele enunciar en la forma “Sólo existen los átomos y el vacío, y todo lo demás es opinión” se debe a Demócrito, quien la desarrolló hace unos 2400 años. Y aunque las interpretaciones anacrónicas tienden a ser más engañosas que iluminadoras, podemos ahora, a comienzos del S. XXI, atribuir a esta idea un indudable carácter visionario. Cierto, los átomos de de Demócrito y de su maestro Leucipo eran (solamente) construcciones mentales, alcanzadas mediante puro razonamiento y no mediante preguntas a la Naturaleza. Lo que no resta ningún mérito a la idea. Ni disminuye un ápice nuestra sorpresa ante el misterioso hecho de que se pueda, mediante un puro razonamiento, —hoy transmutado en nuestra confianza en las matemáticas— descubrir algo que parece existir en la realidad externa, independientemente de nosotros.

Y la cuestión es aún más intrigante pues Demócrito no se limita a los átomos, sino que añade un segundo elemento, el vacío, una idea que en otras doctrinas —como la aristotélica— se declaraba aborrecida por la Naturaleza. Cumplimos ahora dos siglos de familiaridad con la idea atómica moderna y un siglo tras su verificación y conocimiento bastante detallado, por lo que no tenemos mucha dificultad en dar una respuesta ‘de emergencia’ a la pregunta ¿qué son los átomos?

Pero responder a la pregunta ¿qué es el vacío? no es ni mucho menos tan inmediato. Por un lado el vacío se asemeja a la “nada”, y por otro se opone al “lleno” y al “todo”, en un múltiple contrapunto que da pábulo a una variedad de posibles interpretaciones. Y que el vacío sea un mar borboteante de nadidad, lleno de ruido y furia, y que significa mucho, es una idea mucho más moderna, cuya prehistoria cumple ahora poco más 66 años, y que todavía no ha calado en nuestro acervo colectivo.

Cuando hablamos de “hacer el vacío en un recinto” la idea ingenua es, más o menos, “el resultado de haber extraído todo lo que hay en dicho recinto”; esto es lo que pretenden las bombas de vacío industriales, como en el famoso experimento del barón Otto von Guericke: tras extraer —con las bombas existentes el S. XVII— una buena parte del aire del interior de un recinto esférico delimitado por dos semiesferas de latón simplemente adosadas, ni con la fuerza de ocho caballos de tiro fue posible separarlas. La explicación es que en el interior del recinto la presión remanente era muy baja y la presión atmosférica, actuando sobre el exterior de las semiesferas, empujaba una contra la otra con una fuerza descomunal.

Desde el S. XVII las técnicas de vacío han mejorado y hoy por ejemplo, en la zona concreta del anillo en la que ocurren las colisiones de los experimentos del Large Hadron Collider, el LHC del CERN, se consigue una presión del orden de 10^{-14} atmósferas, de la que se dice que es el mejor vacío de todo el sistema solar. Pero ninguna máquina real, ni las bombas de vacío del S. XVII ni las actuales, conseguirá llegar al límite ideal de reducir la presión hasta un valor exactamente nulo, aunque parezca posible aproximarse a ello mediante avances técnicos.

Hoy sabemos el espacio está ocupado no sólo por materia ordinaria. En el espacio hay también luz y campos electromagnéticos, que lo llenan de manera ubicua. Son ellos quienes nos hacen llegar la imagen que nuestros ojos perciben del mundo, las conversaciones a través de los teléfonos móviles y las emisiones de radio y televisión. De manera que ahora la pretensión de extraer todo lo que hay en un recinto se complica: una bomba de vacío resulta totalmente inútil para extraer un campo electromagnético. Deberemos intentarlo de otra manera, eliminando en el interior todas las posibles cargas y corrientes eléctricas e impidiendo que un campo externo pueda colarse en el recinto. Para campos puramente eléctricos, o para ondas electromagnéticas, esto es (idealmente) posible: se puede apantallar un recinto de tales campos, simplemente circundándolo por una superficie conductora (una jaula de Faraday).

El mero reconocimiento de que un recinto puede estar ocupado no sólo por materia ordinaria, sino también por campos, nos obliga a replantear la pregunta: ¿acaso estamos seguros en principio de que pueda eliminarse todo lo que hay en ese recinto?

No estoy hablando de limitaciones técnicas, que presumiblemente podrían irse solventando mejor, sino con la temible existencia de una imposibilidad fundamental de principio. Acabamos de ver que un gas puede extraerse con una bomba de vacío, que en el límite nos llevaría a una presión y a una densidad de materia nulas. “Extraer” de un recinto el campo eléctrico es posible si no hay cargas ni corrientes y si “apantallamos” el recinto del exterior encerrándolo en una jaula de Faraday. No son tan fáciles de apantallar los campos magnéticos, aunque hay técnicas para aproximarse.

Sin embargo, una vez que se ha entendido que una bomba de vacío no va a bastar a nuestro propósito y se ha visto que la eliminación de los campos que pueda haber en esa región no es tan inmediata (de hecho creemos que el campo gravitatorio que pueda haber en el interior del recinto no puede apantallarse de ninguna manera), aparece la inquietante posibilidad de que el mejor “vacío” operacionalmente accesible aún tenga cierto contenido físico, diríamos irreducible.

Hace un siglo creíamos que el apantallamiento eléctrico creado por una jaula de Faraday podría llegar a ser perfecto, …. y lo sería si la Naturaleza se atuviera a los dictámenes de la Física Clásica. Pero la Naturaleza no lo hace; sabemos que la descripción más correcta requiere de manera ineluctable la Mecánica Cuántica. Y la llegada de este reconocimiento acaba de dar la puntilla a la idea ingenua de vacío: en cualquier situación existen inevitablemente fluctuaciones del campo electromagnético cuántico, que siguen ocurriendo aunque hayamos apantallado perfectamente de los campos externos.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes y hasta cierto punto antiintuitivos de la física del S. XX es precisamente esto: que el vacío es drásticamente diferente de la nada y que es sede de burbujeantes fluctuaciones cuánticas. Una imagen de estas fluctuaciones —que debe tomarse siempre con el proverbial grano de sal— es que se trata de parejas partícula-antipartícula, a veces denominadas virtuales, que permanentemente están surgiendo y desapareciendo tras una efímera aparición en escena que dura el tiempo durante el cual la relación de indeterminación de Heisenberg permite su existencia. De manera que incluso “en el vacío” permanece irreducible un “residuo” de todos los campos cuánticos.

Para quienes conozcan la Mecánica Cuántica básica, éste residuo es el análogo para los campos cuánticos del estado fundamental de mínima energía del oscilador. En este estado la posición no tiene un valor definido ni tampoco el momento —en contraste, ambas  variables lo tienen, nulo, en el estado fundamental del oscilador clásico—, sino que deben tener dispersiones, ambas diferentes de 0, que satisfagan las relaciones de Heisenberg.

Como consecuencia, el vacío está en el origen de una física previamente inesperada y extremadamente interesante, ligada a toda una panoplia de fenómenos sorprendentes. Los ejemplos más sencillos de estos fenómenos tienen que ver con los campos electromagnéticos cuánticos cuyas fluctuaciones (cuánticas) no pueden eliminarse de ningún modo: incluso imaginando un mecanismo ideal que apantalle perfectamente de los campos externos, y suponiendo que en el interior no haya cargas ni corrientes, las fluctuaciones continúan surgiendo y desapareciendo en el interior del recinto.

Así nos topamos con una imposibilidad fundamental: en la naturaleza, es simplemente imposible en principio eliminar todo lo que hay en un recinto. Así las cosas, se conviene en seguir llamando “vacío” a la situación que permanece cuando se ha extraído todo lo que se puede extraer [Técnicamente, la definición no es tan vaga como la descripción anterior:  se define el vacío como el estado fundamental, de mínima energía, de los campos cuánticos] Claro está, en tal “vacío” quedan, al menos, las fluctuaciones cuánticas. La idea de que estas fluctuaciones pudieran conducir a efectos observables parecía inicialmente descabellada. Pero es inevitable que lo hagan. La consecuencia más directa y sorprendente es el efecto Casimir, que de alguna manera va al corazón del asunto al mostrar que las fluctuaciones del campo en el vacío no son una pesadilla de los teóricos sino que existen realmente. Dedicaré al efecto Casimir un post en esta serie.

De modo que la imagen del vacío como una arena en la que la acción ha terminado —por seguir con la cita de Macbeth—, como lo que queda en el escenario cuando al pobre cómico ya no se le oye más, cuando los actores se han ido, se han apagado las luces y se ha echado el cierre al teatro— es incorrecta por principio.

Quedan en él las fluctuaciones de todos los campos cuánticos responsables de las interacciones electromagnéticas, nucleares débiles y fuertes, fluctuaciones que son irreductibles y que no pueden eliminarse. Esto es ya, de por sí, notable. Pero más notable es que no solamente es eso: el vacío es aún más complicado.

En 1965 Peter Higgs y otros enunciaron la idea de que existe un nuevo campo, diferente del electromagnético, del gravitatorio y de todos los demás que antes conocíamos.
El vacío, además de ser sede incesante de fluctuaciones de todos los demás campos cuánticos, es a su vez sede de este nuevo campo cuántico, el campo de Higgs, que a diferencia de lo que ocurre con otros  tiene, en su estado de mínima energía, un valor constante a través del espacio y a lo largo del tiempo. Y que tiene sus propias fluctuaciones. Este misterioso campo juega un papel importante en nuestro entendimiento del mundo subatómico. En cierto sentido, y con todas las puntualizaciones que se quieran hacer a esta analogía, el campo de Higgs es una reencarnación versión S. XXI, del antiguo éter de finales del S. XIX. Pero, quede claro, muy diferente y con todas las credenciales de la cuántica y de la relatividad.

La idea de Higgs se incorporó desde 1968 a la teoría que describe de manera unificada las interacciones electromagnéticas y las interacciones nucleares débiles —la llamada teoría electrodébil—. Desde mediados de los 1970s el llamado modelo estandar de las partículas elementales agrupa las anteriores con las interacciones entre quarks, que dan lugar a las interacciones nucleares fuertes. Desde entonces, el campo de Higgs había permanecido como el único ingrediente del modelo estandar sin verificación experimental directa, hasta que en Julio de 2012 hubo evidencias de detección del bosón de Higgs, la partícula asociada al campo de Higgs. En el año transcurrido desde entonces, la identificación de la nueva partícula con el bosón de Higgs se ha confirmado.

Lo que antes ingenuamente llamábamos vacío dista pues de ser la nada. Están allí, ya que  no pueden eliminarse, las fluctuaciones cuánticas de todos los campos que conocemos. Y allí está un nuevo campo que permea todo el espacio, el campo de Higgs, que tampoco se puede eliminar.

La anónima cita que encabeza el post no equivoca el tiro ni mucho menos. Y a la luz de esta comparación, podemos (quizás debemos) contemplar la frase de Demócrito desde una nueva perspectiva.

[La cita anónima moderna, en cuya traducción me he permitido el horrendo neologismo “nadidad”, está tomada de un encabezamiento de capítulo del texto Quantum Field theory in a nutshell, de A. Zee, Princeton University Press, 2010. La cita de Demócrito está tomada de la edición de Demócrito en Los filósofos Presocráticos de G.S.Kirk y J.E. Raven, parrafo 589 (gracias por la referencia :-))]

Este post, “Átomos y vacío: donde Demócrito conoce a Higgs” es la introducción a una serie, de la que puede tomarse como entrada O. Este enlace lleva al post sucesivo. Si quiere saltar directamente a otro post de la serie, puede usar los enlaces directos a cada entrada.

O Átomos y vacío: donde Demócrito conoce a Higgs
I Los átomos de la materia ordinaria
II Cuantificación y la estabilidad del Átomo
III Espín, Bosones y Fermiones
IV La electrodinámica cuántica y los primeros ejemplos de la teoría cuántica de campos
V El nacimiento de la idea de las cuatro interacciones fundamentales
VI El Zoo de partículas y los primeros intentos de describir las interacciones fuerte y débil
Interludio: Los Nobel en la historia del átomo al Higgs
VII Dificultades iniciales de las teorías gauge entre 1954 y 1961
VIII Los quarks, desde su propuesta hasta su “descubrimiento” (1961 a 1974)
IX El campo de Higgs y el mecanismo de Brout-Englert-Higgs
X La libertad asintótica y la Cromodinámica Cuántica
Interludio: ¿Pero qué hay realmente en un protón?
Interludio. Calculando la masa del protón
XI El actual modelo estandar a vista de pájaro
XII 1898-1995, un siglo descubriendo partículas …
XIII Búsqueda y hallazgo del bosón de Higgs
Del átomo al Higgs: Para saber más
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10 respuestas a Átomos y vacío: donde Demócrito conoce a Higgs

  1. Pingback: ¿De qué están hechas las cosas? (Parte II) | El traje nuevo del emperador

  2. lcb dijo:

    Magnífico artículo, gracias Mariano. Aparte del mecanismo de Higss para dar masa a bosones y fermiones, que es la enjundia del trabajo, he recordado el famoso “horror vacui” que operaba debajo de la hipótesis del “éter”. Por supuesto, el bosón de Higgs se ha “mostrado” con parte de las propiedades previstas (las que faltan aparecerán sin duda) mientras que ninguna de las propiedades del “éter” se ha manifestado.

  3. Pingback: Del átomo al Higgs VII: Dificultades iniciales de las teorías gauge entre 1954 y 1961 | Una vista circular

  4. S. R., D. dijo:

    Recomiendo, ya que hablamos del vacío (la nada), la lectura del libro de John D. Barrow: “The book of nothing”, J. Cape, 2000, (hay traducción española “El libro de la nada”, Crítica, Drakontos, 2001), en el que se analizan los vacíos religioso, filosófico, matemático y físico.

  5. Recomendación anotada, gracias S. R., D. por la info y por el comentario y muy e-bienvenido a este espacio. Por lo que googleveo, hay una última reedición en español de 2009, en la página de DivulgaMat aún no hay reseña pero reproduce la contraportada.

  6. Claudio Prosdocimo dijo:

    Es excelente la página… y, además de tener mucha profundidad, es muy clara de entender y… como si todo esto fuera poco, está muy actualizada… fuerte abrazo a todos por allá… me llamo Claudio Prosdocimo, soy Físico-Químico de la UNC (República Argentina), y estoy a sus órdenes…

  7. Claudio, muchas gracias por tus amables palabras y bienvenido a este espacio virtual común. Me alegro mucho de que te haya gustado la página. En el registro de procedencias de las visitas que hace WordPress y ClustrMaps se ve que más de la mitad de los lectores habituales del blog son de ese lado del charco, pero creo que tú eres el primero entre ellos que se anima a comentar, lo que se agradece especialmente. Y un detalle curioso: el mayor pico que he tenido de visitas, hace unos meses, más de 400 vistas en pocas horas, provenían todas de Argentina y se dirigían todas precisamente a este post. Posiblemente en algún centro de enseñanza propusieron hacer un trabajo sobre Demócrito, átomos y vacío, y buscando en la red muchos de los estudiantes acabaron en esta página. A fin de cuentas, eso es lo que se pretende al escribir un blog, que lo que se escribe pueda ser útil a otros; si se consigue algo el esfuerzo se da por bien empleado. En fin, saludos muy cordiales para ti desde ‘por acá’.

  8. Marcelo dijo:

    Desde argentina muy claro el post ,un tema que sin ser fisico ni quimico apasiona por descubrir como fue el inicio a partir de la nada

  9. solosiembro dijo:

    Desde Argentina también, se ve que somos varios y tenemos dudas! Que hermoso es tener dudas! Cómo uno se compenetra en la parte de información que le falta, se embarca hacia el único lugar que no ha sido colonizado, sólo por el atractivo que promete. Esta analogía no es casual y la menciono porque justamente es lo que creo NO contempla la ciencia. Es maravillosa la duda, la incógnita y es al mismo tiempo necesaria. Motor de toda búsqueda y combustible para la imaginación. Lo que entonces no comprendo es la necesidad de eliminarla de la que suele abusar la ciencia. Redondeo y postulo: ¿Qué posibilidades hay que el vacío no encuentre definición o no cuadre con ningún postulado, porque simplemente no existe como tal? Lo que la ciencia intenta definir como vacío, es “materia no definida” aún…y agrego “aún” porque soy optimista. Sin embargo el hecho de no poder definirla, no me impide reconocerla. Las opciones son infinitas para esa materia no definida aún, y dependiendo a quién se le consulte,las respuestas serán diversas y a la vez todas posibles, tal como la materia en cuestión, aún no han sido definidas. Les dejo un cálido abrazo, mis respetos ante tamaña publicación y espero tengan a bien mi consideración.
    Saludos desde el lugar mas curioso del planeta, según word press!

  10. Bienvenidos amigos argentinos Marcelo y solosiembro y muchas gracias por vuestros comentarios. Cierto que la duda es hermosa, y de hecho la duda está en el origen de una muy buena parte de aquello que podemos llegar a conocer —incompleta, imperfectamente, claro, no en vano la ciencia nunca es definitiva— Quizás al contar las cosas como las ve la ciencia hoy en día (lo que yo también he querido hacer en este post) pueda quedar la impresión de que la ciencia trata de eliminar las dudas. Pero yo creo que realmente no es (no debiera (!) ser) así: en la ciencia que merece la pena cada respuesta abre multitud de nuevas preguntas. Pablo Neruda, en su poema “Ya no sé nada” lo dice de manera magnífica:

    Lo cierto es que una abstracta incertidumbre

    sale de cada caos que regresa cada vez a ser orden.

    Dices “¿Qué posibilidades hay que el vacío no encuentre definición o no cuadre con ningún postulado, porque simplemente no existe como tal?” De hecho, gran parte de las concepciones que han jalonado el camino humano hacia el conocimiento han sido ideas que realmente no existen en la Naturaleza, y una gran parte de los avances han consistido en tratar de entender esa inexistencia y de encuadrarla en un marco coherente de pensamiento. Sin salir de la física, tenemos la idea del tiempo absoluto, la idea del determinismo con predictibilidad absoluta, … Lo que vamos intuyendo ahora es que el vacío también entra en esa categoría, lo que nos abre camino a un mundo (mucho más interesante y misterioso) en el cual las dudas, afortunadamente, no faltan.

    Muy cordiales saludos para ambos.

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