¿Está el espacio realmente vacío?

Spoiler: no. Y además, da un poco de miedito.

Hay cosas que damos por hechas, que parecen evidentes; lo que pasa es que no hay nada evidente en la Naturaleza. Recordemos humildemente que nuestro cerebro ha evolucionado para ser capaces de cooperar con otros miembros de la especie en conseguir comida y no ser comida de otros depredadores. Y con esa única herramienta, con su grandeza, pero también con sus grandes limitaciones, nos hemos lanzado a comprender el Cosmos. Estaba claro que alguna sorpresa nos íbamos a llevar.

Uno de nuestros antecesores volviendo a la cueva después
 de un duro día cazando mamuts y huyendo de los dientes de sable,
 mientras medita sobre el Vacío Cósmico.

Por ejemplo, es "evidente" que cuando miramos al cielo entre estrella y estrella, entre planeta y planeta, lo que hay es... nada. El vacío. El gran silencio cósmico. Y es razonable pensarlo: si no hay aire, ni luz, ni sonido, si nada nos empuja ni nos detiene, si un astronauta se suelta y sigue flotando sin rozar nada en su camino... eso debe de ser el vacío, ¿no?

Pues no; pero un NO a lo bestia.

El vacío clásico: ese malentendido.

Cuando decimos “vacío” solemos imaginar un espacio completamente desprovisto de todo. Como una caja de la que se extrae todo el aire, de forma que no quede "nada" dentro. Pero en Física, incluso en la Física Clásica, eso es un ideal que no se alcanza jamás. Ni en el laboratorio más avanzado, ni en el rincón más solitario del espacio interestelar.

El “vacío” del espacio entre planetas, o entre estrellas, está lleno... de casi nada. Pero ese “casi” es muy importante; es lo que llamamos Espacios Interplanetario e Interestelar.

Por término medio, en un solo centímetro cúbico de ese vacío espacial puede haber generalmente uno o dos átomos, casi siempre de hidrógeno y un poco de helio, viajando solos como almas en pena desde el mismísimo Big Bang sin haber tenido la suerte de formar parte de alguna estrella o cualquier otro cuerpo celeste.

Large Hadron Collider (CERN)
su interior es el lugar más vacío de la Tierra

También hay polvo cósmico (particulas de tamaño inferior a 100 micrómetros), partículas de alta energía, fotones, neutrinos, campos electromagnéticos y gravitatorios que lo atraviesan todo... y eso sin contar lo que todavía no entendemos bien.

Seguramente el mayor vacío logrado en la Tierra es el que existe en el interior del acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) del CERN; y es del orden de 1,000 átomos por centímetro cúbico. Es decir, una superpoblación de partículas, comparado con el espacio interestelar.

Si nos alejamos de nuestra galaxia y miramos el llamado Espacio Intergaláctico mediremos "vacíos" mucho mayores, con un átomo de hidrógeno por metro cúbico de media, al borde de la "nada".

El vacío cuántico: la nada que lo es todo

Cuando entramos en el terreno de la Física Cuántica, (la física fundamental que trata de dar la respuesta más profunda a cualquiera de nuestras preguntas) la idea del Vacío da un triple salto mortal sin red. Ya no osamos hablar de “ausencia de cosas”, sino de el estado de menor energía posible del espacio.

Y resulta que ese estado mínimo no es, ni de lejos, un mar de tranquilidad. De hecho, es un hervidero invisible. El vacío cuántico está lleno de lo que llamamos fluctuaciones: pares de partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen constantemente, como si el universo se aburriera y necesitara improvisar.

Simulación matemática del Vacío Cuántico:
Pares de partículas y antipartículas en constante estado
de creación y aniquilación.

Este fenómeno no es una elucubración científica, ni un arreglo matemático que explique algo sin poder demostrarlo con experimentos: ¡se ha medido! 

El efecto Casimir, algo predicho por la teoría cuántica de campos, consiste en que, si separamos dos placas metálicas una distancia muy pequeña comparada con su tamaño, entre ellos aparecerá una fuerza de carácter atractivo (no gravitatoria) debido a las diferencias en las fluctuaciones del vacío cuántico entre el espacio interior y exterior de las placas. El Vacío ejerce "presión" sobre las placas y las acerca. El efecto Casimir ha sido comprobado sin ningún género de dudas.

Ilustración que pretende explicar el efecto Casimir:
presión que ejercen las fluctuaciones del vacío exterior
frente a las fluctuaciones del vacío interior.

Así que el vacío, desde el punto de vista cuántico, no está vacío. Está lleno de posibilidades. Y de hecho, según algunas teorías, todo lo que vemos, toda la materia real, es una especie de excitación del vacío. Un pequeño cosquilleo que se sale del habitual equilibrio de la nada.

Energía del vacío: más misterio

Y aún más raro: ese vacío “lleno de nada” podría ser responsable de la expansión acelerada del universo. Sí, eso que, a falta de un término mejor porque no tenemos ni idea de lo que es, llamamos energía oscura. Algo que, por cierto, representa la mayor parte del contenido energético del cosmos. Y viene, posiblemente, de esa energía latente del vacío.

Así que puede que el espacio entre las galaxias, aparentemente desierto, sea en realidad el motor silencioso que empuja todo a separarse de todo, cada vez más rápido. Una nada que no deja de hacer cosas.

This amazing and expanding Universe, como decían los Monty Python.
 Resulta que es el Vacío el que lo hace expandirse

Así que no, el espacio no está vacío. Ni siquiera en sus rincones más oscuros. Es un océano de energía sutil, un campo lleno de vibraciones, de fuerzas invisibles, de partículas fantasma que aparecen y desaparecen antes de que puedas notarlas. Lo que llamamos “nada”... el universo lo usa como lienzo para pintar todo lo demás.

Por otro lado, ¿no es maravilloso pensar que la Nada simplemente no puede existir? A algunos seres mitológicos seguro que no les hace tanta gracia 😉

Las preguntas de Iria (episodio 2) ¿Por qué la gente de Australia no se cae?

- "Papá, si la Tierra es redonda… ¿la gente en Australia o en Sudamérica vive boca abajo? ¿Y no se caen?", preguntó Iria mientras giraba el globo terráqueo e imaginaba a los habitantes del Hemisferio Sur “colgando” boca abajo o directamente cayendo al espacio infinito. 

¿Sabías que esta pregunta la hacen muchas personas, grandes y pequeñas? Tiene todo el sentido: si imaginamos la Tierra como una bola flotando en el espacio, y dado que nosotros estamos en el Hemisferio Norte (que es, desde luego, la parte de "arriba"), parecería que la gente que está “abajo” debería vivir boca abajo... o caer al vacío. Pero, ¿qué pasa realmente? Vamos a descubrirlo.

¿Qué es ‘abajo’?

Lo primero que debemos entender es que “abajo” no es una dirección universal que apunta siempre al mismo lugar en el espacio. Para cada persona sobre nuestro planeta, “abajo” es la dirección hacia el centro de la Tierra, porque es hacia donde actúa la fuerza(*) de la gravedad. Igual que para cada persona "arriba" significa la dirección que apunta a lo que está encima de su cabeza.

La gravedad es una fuerza atractiva que la Tierra ejerce sobre todos los objetos, dirigiéndolos hacia su centro de masas. Por eso, sin importar en qué punto del planeta estemos, “abajo” será siempre hacia ese centro.

Simple pero eficaz gráfico de lo que significa "Arriba" y "Abajo"
el ‘abajo’ es según tu ‘debajo’ y el suelo se encarga del resto.

Ni nosotros ni los habitantes del Hemisferio Sur sentimos que estamos “boca abajo” porque nuestro cuerpo siempre sabe dónde está el “abajo” real: hacia el centro de la Tierra. Desde que nacemos, la gravedad tira de nosotros hacia el suelo, así que nos “pegamos” a la superficie, sin importar en qué parte del planeta estemos.

No estamos en el borde de algo que se termina; estamos sobre la superficie de una esfera enorme. En realidad, estamos “cayendo” hacia el centro de la Tierra todo el tiempo, pero el suelo nos detiene y nos sostiene para que no nos hundamos.

Un detalle curioso es que la gravedad actúa con una fuerza ligeramente distinta en nuestros pies y en nuestra cabeza, porque están a diferentes distancias del centro de la Tierra. Esa diferencia, aunque pequeña, se siente como una tensión que produce cansancio muscular. Por eso, cuando nos tumbamos, reducimos esa diferencia y le damos un descanso al cuerpo.

Un posible origen de la confusión

Cuando representamos la Tierra en una esfera no podemos evitar confundir los conceptos "Hemisferio Norte" con "arriba" y "Hemisferio Sur" con "abajo"; pero esto es totalmente incorrecto. Como hemos dicho, el concepto físico, es decir real, de “abajo” no depende de dónde esté el norte o el sur en el mapa, sino de dónde estamos nosotros con respecto al centro del planeta. Por eso, para alguien en Australia, su “abajo” es justo hacia adentro, al centro, igual que para nosotros aquí.

Map Mundi en proyección Gall-Peters.
Una representación más proporcional de las áreas, con el Sur arriba.

¿Y ya puestos, qué significan Norte y Sur?

Ya hemos aclarado que decir que un Hemisferio de la Tierra, o de cualquier planeta, está "arriba" es sencillamente absurdo. Aun así llamamos a cada hemisferio de un planeta, separados por su ecuador, "Norte" y "Sur". ¿Cómo elegimos cuál es cuál? 

Cuando hablamos del polo norte y el polo sur de un planeta, nos referimos a los dos puntos donde su eje de rotación (esa línea invisible alrededor de la cual gira sobre sí mismo) atraviesa la superficie. El polo norte es, por convención, el extremo desde el que el planeta parece girar en sentido contrario a las agujas del reloj, y el polo sur, el extremo opuesto. Es una definición práctica, no una verdad del Universo, que funciona aunque el planeta esté al revés, como Venus... pero eso ya lo contaremos otro día.

Para pensar y reír un poco (Gracias Quino, por todo)

¿Conoces a Mafalda? En una famosa tira se da cuenta de que los argentinos viven "del revés", con todos los problemas que eso supone. 

Tras varias tiras, en las que todos los maravillosos personajes de Quino se la pasan boca abajo discutiendo sobre  el tema, Mafalda encuentra la solución perfecta dándole la vuelta al globo.

Y es que, en realidad, todos tenemos nuestro propio “arriba” y “abajo” según dónde estemos. Así que, la próxima vez que veas a Australia o Argentina “del revés” en un globo terráqueo, recuerda: ¡ellos también te ven a ti igual de patas arriba!

(*) Nota para puristas

Sí, ya sabemos que la gravedad posiblemente no sea una fuerza, sino una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo causada por la concentración de energía. Reconocido queda para los tikismikis.

El Universo a la fuga: Líneas espectrales y Corrimiento al Rojo

Hay luces que nos hablan en lenguajes que la humanidad ha sabido descifrar: las estrellas y galaxias emiten radiación que, al descomponerse en las diferentes longitudes de onda que la forman (por ejemplo en un prisma), revela una firma única: las líneas espectrales descubiertas por Fraunhofer. Son como códigos de barras cósmicos. Y cuando esas líneas se desplazan —hacia el rojo o hacia el violeta— de donde se supone que deben estar, nos cuentan una historia de movimiento, velocidad, y expansión.

🌈 ¿Por qué aparecen líneas en los espectros?

De manera muy básica: cuando un átomo recibe energía, sus electrones saltan a niveles (capas electrónicas) más altos, más alejados del núcleo. Al volver a su nivel original, emiten energía en forma de luz con longitudes de onda muy específicas. Ese patrón da lugar a líneas de emisión.

Por el contrario, si una fuente de luz atraviesa un gas frío, ese gas absorbe ciertas frecuencias, dejando líneas oscuras en el espectro continuo. Son las líneas de absorción.

Espectros de emisión del Sodio, Hidrógeno, Calcio y Mercurio
comparados con el espectro continuo de luz visible

Ambas son fundamentales: con ellas identificamos los elementos químicos del laboratorio o de las estrellas y galaxias, sin importar cuán lejanas estén. Fueron Kirchhoff y Bunsen los que descubrieron esta asociación entre posición de las líneas y el elemento químico que las produce. De hecho, gracias a las líneas espectrales se descubrió Helio en el Sol (de ahí su nombre, por cierto), antes que en la Tierra.

🟥 Corrimiento al rojo y al violeta

Cuando las líneas espectrales se desplazan respecto a su posición de reposo, hablamos de:

• Corrimiento al rojo: las líneas se mueven hacia el extremo rojo del espectro: longitudes de onda más largas, menos frecuencia.

Espectro de absorción del Hidrógeno en los siguientes casos (de arriba a abajo)
a) En reposo (laboratorio) b) Alejándose a 3,000 Km/s c) Alejándose a 30,000 Km/s

• Corrimiento al azul o violeta: las líneas se desplazan hacia el extremo violeta del espectro: longitudes más cortas, más frecuencia.

Espectro de absorción del Hidrógeno en los siguientes casos (de arriba a abajo)
a) En reposo (laboratorio) b) Acercándose a 3,000 Km/s c) Acercándose a 30,000 Km/s

Este fenómeno puede tener tres causas:

Efecto Doppler: Si una fuente de emisión se aleja, su luz se "estira", si se acerca, se "comprime". Por tanto podemos deducir que las galaxias que presentan corrimiento al rojo se alejan de nosotros y las que presentan corrimiento azul se acercan, como Andrómeda, debido a su propio movimiento por el Cosmos.

El efecto Doppler, aplicado a las ondas mecánicas en el aire que llamamos sonido, es algo que todos apreciamos con facilidad cuando, por ejemplo, se acerca una motocicleta a gran velocidad: cuando se acerca a nosotros el sonido se vuelve más agudo, las ondas de sonido se "aprietan", su longitud disminuye; pero cuando se aleja, las ondas se van estirando, se alarga su longitud, y de ahí un sonido más grave. 

Corrimiento gravitacional: La luz pierde energía al escapar de campos gravitatorios intensos. Ya hablaremos de este tema en el futuro.

Expansión o Contracción del espacio-tiempo: No es que las galaxias viajen por el espacio alejándose o acercándose, que también lo hacen... sino que sería el mismísimo espacio el que se expande o contrae, y con él, la luz misma.

El Universo en expansión, representación ilustrativa
(Science Photo Library)

Spoiler😉: Dado que la gran mayoría de las galaxias se alejan de nosotros, y lo hacen más deprisa cuando más lejos están, provocando evidentes corrimientos al rojo, llegamos a la conclusión de que es precisamente la Expansión del Universo el motivo fundamental del corrimiento de las líneas (aunque los otros dos también contribuyen). El Universo está expandiéndose mientras lees este artículo.

🌌 Friedmann, Lemaître y el universo en expansión

Aunque solemos asociar la expansión del universo con Hubble y su famosa fórmula V = H x d (Velocidad de la galaxia respecto a la Tierra igual a la Constante de Hubble multiplicada por la distancia hasta la galaxia), la idea no le pertenece. Fue el científico soviético Alexander Friedmann, en 1922, quien derivó de las ecuaciones de Einstein que un universo estático era imposible: debía expandirse o contraerse, y todo eso solo con un cuaderno, un lápiz y un cerebro capaz de entender a Einstein y precisarle unos detalles. Su trabajo fue ignorado, como también lo fue el del sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître, quien en 1927 llegó a conclusiones similares y propuso lo que hoy conocemos como la teoría del Big Bang.

Es cierto que fue Hubble quien observó experimentalmente que las galaxias parecían alejarse más cuanto más lejos estaban, pero ni siquiera esto lo hizo solo. Detrás de sus datos estaban los cálculos y mediciones realizadas por mujeres como Henrietta Swan Leavitt, Milton Humason y otras "calculadoras" invisibles a la historia oficial de la Ciencia.

En definitiva, las líneas espectrales desplazadas al rojo eran la huella de esa expansión predicha por Friedmann y Lemaître.

🧭 ¿Por qué importa todo esto?

Porque las líneas espectrales nos permiten medir distancias cósmicas, calcular velocidades de galaxias, reconstruir la historia misma del universo y proyectar su destino... casi nah. Y todo gracias a unos arañazos de luz.