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"En los límites de la realidad: el vacío" Mundo Científico - La Recherche, núm. 202 (junio 1999), p.41-45

 

Sumari   Introducción Horror vacui La aceptación moderna del vacío El universo se hace cada vez más vacío La realidad, ¿es una emanación del vacío? El número cero es el vacío matemático Aplicaciones curiosas de la tecnología pneumática Los premios Nobel del vacío Ya lo dijo Lao Tse Para más información: bibliografía

Abstract   Until Seventeenth Century scientists thought that Nature abhors the void, and that void did not enter in Nature’s constitution. At the end, modern science accepted void, and it discovered that Universe was empty in its utmost part. The acceptance of this limit constitutes a real conceptual Revolution. This paper reviews the main highlights of this history: from the horror vacui concept to Torricelli and Newton. It also reviews other scopes related to void: the Taoist concept, the zero as mathematician void, the pneumatic techniques, the persons awarded with Nobel Prize for their works related to void.  Clic per a compra directa i segura de "Biografía del vacío"

 
 

Introducción A lo largo de la historia de la ciencia hay una serie de cuestiones que han suscitado discusiones muy vivas. El vacío es una de ellas. Quizás porque ciertos conceptos –como el tiempo o como el vacío– afectan al cuadro general con que se aborda el estudio de la realidad. En cierto modo, son conceptos que aluden a los límites de la realidad: el tiempo, por ejemplo, no es directamente perceptible sino como parámetro del cambio. El vacío, por su parte, es el límite máximo en la rarificación de la materia, su ausencia. Cierto que nuestra familiaridad con la cosmología de los inmensos espacios vacíos parece no plantearnos el vacío como problema. Aceptar que el espacio pueda estar vacío es lo más natural. Sin embargo, cuando en la física más reciente se teoriza con el fenómeno de la emisión de partículas por parte del vacío, o se postula que la emisión de partículas de un agujero negro la realiza el espacio vacío circundante, entramos sin duda en el reino de la paradoja, en ese límite de la realidad. Que el vacío, que es por definición ausencia de materia, emita materia es por lo menos sorprendente. Estos dos ejemplos serían muestras de las dificultades que el concepto plantea. Y en la historia de la ciencia tales dificultades no son nuevas. De hecho, la moderna aceptación del vacío –que arranca básicamente del siglo XVII– tuvo que enfrentarse a una larga y muy sólida tradición contraria al vacío. El pensamiento tradicional no podía aceptarlo, entendiendo que sería un contrasentido dejar que lo que no es (el vacío) entrara en la consideración de las cosas existentes. O sea, que si la física es el estudio de lo existente, no cabe considerar aquello que propiamente no es, porque es la ausencia de las cosas. Pero dejemos ahora esta derivación filosófica del problema y veamos sus hitos más importantes desde el punto de vista de la historia de la ciencia. Horror vacui La ciencia premoderna afirmaba que la naturaleza aborrece el vacío, haciendo de este horror vacui un principio absoluto La fuente en que bebe la larga tradición contraria al vacío es sin duda Aristóteles. Éste, en el libro IV de su Física, aporta una argumentación exhaustiva contra el vacío. Los argumentos, más que científicos o empíricos, son de orden filosófico: el vacío sería sobre todo un concepto inconsistente. La refutación iba dirigida muy especialmente contra los atomistas, encabezados por Demócrito. Este atomismo antiguo, que postulaba que la naturaleza estaba formada por átomos (en este caso perfectamente sólidos e impenetrables) y vacío, es por su parte la fuente clásica de todas las corrientes que luego defendieron la existencia del vacío. Pero la postura dominante sería la de Aristóteles y el atomismo sería una corriente marginal. No sólo Aristóteles alimentó el antivacuismo. También Platón, los estoicos y la mayoría de las escuelas antiguas contribuyeron a esa práctica unanimidad que alcanza hasta la Edad Media y la incipiente Edad Moderna. Bajo ese punto de vista unánime fueron interpretados ciertos fenómenos: por ejemplo, la succión que ejerce una ventosa, la dificultad en separar un fuelle si no se permite la entrada del aire, etc. Todas estas observaciones, acompañadas de rudimentarios experimentos, parecían demostrar que la naturaleza se resiste a tolerar la ausencia de aire; o sea, que la naturaleza aborrece el vacío. Hoy sabemos que tales fenómenos son efecto de la presión del aire circundante, de la tendencia natural del aire a expandirse y rellenar los recipientes a su alcance. Pero en la Edad Media estas pequeñas pruebas sirvieron para reforzar desde un punto de vista empírico algo que ya venía afirmado desde un punto de vista filosófico. Así fue acuñado el principio del horror vacui.

Evangelista Torricelli (1608-1647) es el padre de los experimentos modernos del vacío.  Este esquema corresponde a los realizados en 1644: en él se muestra la elevación del mercurio en unos tubos previamente vaciados de aire. La altura de la columna de mercurio -hasta A o B en la figura– (76 cm en condiciones normales) indica la presión del aire circundante. La zona del tubo por encima de B está vacía. Torricelli explica que si se quita E, o sea si se deja entrar el aire, el mercurio del segundo tubo descenderá hasta el nivel del recipiente inferior, mientras en el primer tubo –por estar vacío en su parte superior– sigue el mercurio suspendido.     Figura 1

La aceptación moderna del vacío Se debe especialmente a Torricelli y a Newton. El principio del horror vacui se convirtió en dogma prácticamente irrebatible hasta el siglo XVII. Es cierto que contra tal opinión dominante se contaba con el contrapunto de las opiniones atomistas y con el redescubrimiento de los tratados de pneumática de los ingenieros alejandrinos. En estos tratados, con una vocación claramente empírica, se abordaban los fenómenos de succión de líquidos, de la expansión del aire caliente, del funcionamiento del sifón, etc. En ellos se admitía al menos que el vacío era una excepción tolerable para la naturaleza. Y justamente la ciencia moderna nace con esta voluntad empírica y con la curiosidad por las excepciones. Es una investigación que al principio casi tiene el carácter de una “magia natural” –el estudio de las maravillas de la naturaleza–. Estas dos fuentes, la doctrina atomista y el estudio de las curiosidades naturales, están en la base de los experimentos que en el siglo XVII conducen a la demostración empírica del vacío. El primero y más decisivo fue Torricelli (1608-1647): demostró que los efectos atribuidos al horror vacui eran debidos en realidad a la presión del aire. Estableció la equivalencia de esta presión con la altura que alcanza el mercurio en un tubo vaciado (ver figura 1). De 1644 datan estos experimentos barométricos. La difusión en toda Europa de las experiencias de Torricelli animó a muchos otros científicos en la misma línea. Los más destacados fueron Pascal (1623-1662) en Francia, Boyle (1627-1691) en Inglaterra, y Guericke (1602-1686) en Alemania. A Pascal se debe la medida de las variaciones de la presión atmosférica según las condiciones climáticas y la altura; a Boyle se deben diversos estudios sobre la elasticidad del aire; y a Guericke se debe la construcción de la primera bomba de vacío y unas demostraciones que por su espectacularidad se hicieron famosas (ver figura 2). Pero esos apuntes empíricos fueron muy discutidos por la gran mayoría de los grandes científicos y filósofos de la época. Descartes, por ejemplo, insistía en la necesaria presencia de una materia sutil en las zonas supuestamente vacías. El rechazo al vacío seguía pesando como opinión muy enraizada. Faltaba la culminación teórica de la aceptación del vacío. Ésta se produjo con Newton (1642-1727), gracias a su revolución en las concepciones de la física y muy particularmente a su cosmología de la gravitación universal. Esta cosmología establecía que a través de los inmensos espacios vacíos cósmicos la atracción gravitatoria regulaba de modo preciso los movimientos planetarios. Antes de Newton el vacío era a lo sumo una excepción tolerable; con Newton el vacío se hizo componente imprescindible en la configuración del cosmos.  Entre 1644 (fecha de los experimentos de Torricelli) y 1687 (fecha de la publicación por Newton de sus Philosophiae naturalis Principia mathematica) habría que situar el período crucial de la aceptación moderna del vacío.

Figura 2

Otto von Guericke (1602-1686) realizó el experimento representado en este grabado, conocido como “experimento de Magdeburgo”.  En éste aparecen 16 caballos, en dos grupos de 8, tirando en direcciones opuestas de un recipiente compuesto por dos hemisferios adosados. Guericke mostró mediante ese experimento que, cuando el recipiente estaba vaciado de aire –o sea, cuando estaba vacío–, la fuerza de los 16 caballos era incapaz de separar los hemisferios. Ello se debe a la presión del aire circundante, que supera la fuerza de esos caballos de tiro. En cambio, cuando el recipiente contiene aire, una fuerza insignificante consigue despegar los hemisferios. Estas curiosas demostraciones de los efectos del vacío se hallan convenientemente explicadas e ilustradas en la obra de Guericke, Experimenta nova (ut vocantur) Magdeburgica de vacuo spatio (Amsterdam, 1672).

El universo se hace cada vez más vacío La física newtoniana, con su afirmación de los inmensos espacios vacíos, encontró al principio arduas resistencias –y uno de los puntos más sensibles en las polémicas fue éste del vacío–. De hecho la física newtoniana no se impondría hasta mediados del siglo XVIII. Su victoria simboliza la aceptación de la imagen del cosmos que hoy nos es más popular. Pero conviene recordar que esa imagen es absolutamente contraria a las anteriores: antes el mundo era pleno y compacto; después de Newton el mundo era en su mayor parte vacía. En cierto modo, la historia de la física a partir de Newton puede verse como una conquista progresiva del vacío. Ya Bentley en 1693, siguiendo las indicaciones de Newton, había calculado que en el sistema solar los espacios vacíos ocupan un espacio 8,575 . 1017 veces superior al ocupado por la materia. La proporción de materia es, pues, insignificante frente a la enormidad de vacío. Pero ese cálculo todavía tenía en cuenta una materia considerada como algo compacto.  Luego la materia misma se ha diluido en el vacío. Antes los átomos eran considerados como corpúsculos perfectamente plenos y compactos. Con el popular modelo del átomo propuesto por Rutherford (1910), donde los electrones giran en torno a un núcleo a unas distancias relativamente enormes, el vacío se hace dueño del átomo. La proporción de vacío se convierte en superlativa.  De este modo, el mundo circundante –el de las materias aparentemente compactas– y la totalidad del universo –con unos cuerpos celestes situados en un inmenso vacío– pueden verse como un gran queso de gruyere con unos agujeros enormes, tanto a nivel micro como macroscópico. Y si a ello añadimos la dinámica del alejamiento progresivo de las galaxias, resulta que la proporción de vacío crece contínuamente. La realidad, ¿es una emanación del vacío? En esa larga búsqueda de los componentes últimos de la naturaleza, el vacío ha ido ganando protagonismo. Pero ese vacío no es sólo un componente de la realidad, yuxtapuesto a otra cosa –la materia– que sería el no-vacío. La revolución teórica y práctica sufrida por las ciencias físicas en este siglo ha mostrado que la separación entre materia y no-materia (vacío) no es un límite insalvable, que la relación entre ambos términos es profunda. Por una parte, Einstein nos enseñó que la masa podía transformarse en energía (según la famosa ecuación E=mc2); por otra parte, la mecánica cuántica condujo al modelo del comportamiento dual onda / partícula. Los dos lados de la realidad dejaron, pues, de ser compartimentos estancos. La definición hoy aceptada del vacío recoge esta ambigüedad: entiende que el vacío es una fluctuación de campo de pares de partículas-antipartículas, fluctuación de media nula. Eso explicaría que una alteración de esa fluctuación diera como resultado la “paradoja” de la emisión de partículas por parte del vacío. Son fenómenos que han sido detectados en el laboratorio y que se confirman en la paradoja de la emisión de partículas por parte de un agujero negro, emisión en principio inesperada por cuanto un agujero negro es una concentración gravitatoria de tal intensidad que no deja escapar de sí ni a la propia luz. Esta paradoja del vacío como emisor de partículas señala un paso más en la comprensión de los límites de la realidad. Esta ya no se compone de dos ámbitos, vacío y materia, perfectamente independientes. La visión premoderna negó uno de esos componentes, el vacío; el siguiente paso fue admitirlo como componente posible, pero como simple contrapunto inerte de lo existente. El último paso ha sido poner en relación los dos ámbitos aparentemente contradictorios. Es así que el vacío viene a confundirse con el substrato subyacente a la manifestación de la realidad. Del inicial horror al vacío, visto éste como el reverso imposible de lo existente, hemos pasado a integrarlo como fondo último. El límite ha sido traspasado; el espejo ha sido traspasado en busca de su reverso.

La multiplicación de 3069 por 45 (tomado de un tratado chino de cálculo del siglo XIV).  Aunque en China se desarrolló un sistema de numeración posicional propio, la introducción del cero -claramente visible en la figura– es de origen indio.

El número cero es el vacío matemático No es imaginable la actividad científica sin su instrumental matemático. Dentro de ese instrumental, lo elemental es contar con sistemas de numeración y de cálculo operativos.  Eso hoy son obviedades que parecen no requerir mayor explicación. Sin embargo, el sistema de numeración decimal que hoy utilizamos con la mayor naturalidad no siempre estuvo a mano. De hecho, su uso en Europa no es anterior al siglo XV; y no fue un producto de la ciencia occidental. Tuvo que ser importado de la India a través de la mediación árabe: por eso, a ese sistema de numeración lo designamos también como “cifras árabes”.  Pues bien, el sistema de las cifras indo-árabes, que técnicamente hay que llamarlo “sistema posicional decimal con cero operador”, tiene uno de sus fundamentos principales en el uso del cero. Se ha dicho que el cero es la principal contribución de la India a la cultura universal. Sin cero no habría sistema decimal posicional, como tampoco habría sistema binario –ése en el que la información digitalizada es reducida y tratada en toda clase de instrumentos de la tecnología más reciente–.  El término “cero”, al igual que el término “cifra”, deriva etimológicamente del árabe “sifr” (que significa ‘vacío’) y éste es la traducción del original nombre para el cero, el sánscrito “sunya” (literalmente ‘vacío’). El cero es, pues, el vacío matemático. Lo es al señalar una posición vacía en el orden posicional de las potencias de diez (unidades, decenas, centenas, miles, etc): un número como 3069, por ejemplo, fue escrito originalmente como 3  69, lo cual señala una posición vacía en el orden de las centenas. El signo cero explícito recuerda simplemente esta ausencia. Y el cero es el vacío porque designa la ausencia de cantidad. La gran contribución al “inventar” el cero fue conceptualizar esta paradoja de contar lo incontable, incluir como número algo que propiamente es lo opuesto al número porque es la ausencia de cantidad.  Esa operación mental, aparentemente simple, decisivamente revolucionaria, no fue asequible al pensamiento de Occidente. Tuvo que producirse en la India (antes del siglo III aC), en un contexto marcado por un pensamiento que supo atender al valor de la ausencia, al valor del vacío. No fue el fruto de la introducción de un mero artificio técnico en los sistemas de numeración. Este aspecto extracientífico es crucial; Occidente, al ignorar o despreciar durante muchos siglos el valor del vacío, fue incapaz de “inventar” el cero

El tren atmosférico, también llamado pneumático, construido en el subsuelo de Nueva York en el año 1870.  El movimiento, como en todo tubo pneumático, está regulado por un sistema de bombas de aire y de válvulas que al crear un efecto de succión desplaza el vagón.

Aplicaciones curiosas de la tecnología pneumática Un capítulo curioso en la historia de las aplicaciones del vacío es el de la transmisión pneumática. Su principio consiste en establecer un diferencial de presiones en el interior de un tubo, por ejemplo vaciándolo en uno de sus extremos. Este vaciado, con la consiguiente diferencia de presiones, provoca un efecto de succión; de modo que un objeto colocado en uno de los extremos del tubo será succionado hacia el extremo opuesto. El tubo pneumático se convierte así en un medio de transporte. Este principio fue aplicado muy particularmente a la transmisión de documentos. En el siglo pasado y en la primera mitad de éste, multitud de edificios incluyeron todo un sistema de tubos ramificados en los que se realizaba tal transmisión pneumática. Oficinas de correos, ministerios, bancos, oficinas, grandes almacenes, funcionaron con esa tecnología, todavía visible en algunos casos y que recordarán los lectores de mayor edad. Ciudades como Nueva York, Boston, Philadelphia, París y Londres contaron con una red muy extensa; en Londres, por ejemplo, en 1886 esta red tenía 34,5 millas. La transmisión pneumática no queda circunscrita sólo a este campo de la transmisión de documentos. Otra de sus aplicaciones fue el llamado tren atmosférico, cuya construcción es contemporánea al tren basado en la máquina de vapor. Su funcionamiento requería el trabajo de bombas de vacío colocadas a intervalos. Se pretendía con ese proyecto un tren más limpio, ligero y silencioso que la pesada máquina de vapor. Aunque la alternativa no prosperó, varias líneas fueron construidas: la primera en Devon (Inglaterra) en el año 1846; otra funcionó en el extrarradio de París hasta el año 1860; y en Nueva York en 1870 fue ensayada una línea del tren subterráneo con esta tecnología (ver figura). Finalmente hay que recordar otra aplicación algo siniestra. Fue en Viena: en 1874 se presentó un proyecto de red pneumática kilométrica para el envío de los difuntos de la cuidad a la tumba que les estaba destinada. El proyecto, perfectamente viable, fue desestimado sólo por razón de su elevado coste.

Los premios Nobel del vacío Una muestra del impacto de las técnicas del vacío en las transformaciones de la ciencia de este siglo es el hecho de que 5 de los 12 primeros premios Nobel de Física y Química fueran concedidos por trabajos y descubrimientos relacionados con estas técnicas: W. K. Röntgen (1845-1923) lo obtuvo en el año 1901 por el descubrimiento de los rayos X. Sus trabajos se realizaron en tubos vaciados, a presiones de 10-2 Torr (1 Torr equivale a la presión ejercida por 1 mm de mercurio –760 mm equivale a la presión atmosférica–). J. W. S. Rayleigh (1842-1919) lo obtuvo en el año 1904 por el descubrimiento del argón, identificando su posición en la tabla periódica de los elementos. Para ello trabajó con la bomba de vacío Töpler (con la que se alcanzan presiones de 10-4 Torr). W. Ramsay (1852-1916) lo obtuvo en el año 1904, junto a Rayleigh, por el aislamiento de los gases inertes, siguiendo las mismas técnicas. Ph. Lenard (1862-1947) lo obtuvo en el año 1905 por sus trabajos con los rayos catódicos, esto es, los rayos que aparecen al producirse descargas eléctricas en tubos que contienen gases muy rarificados. Estos trabajos condujeron a la teoría fotoeléctrica de Einstein. J. J. Thomson (1856-1940) lo obtuvo en el año 1906 por su descubrimiento del electrón, estableciendo la relación entre su carga eléctrica y su masa. Este descubrimiento se realizó con técnicas de observación sobre rayos catódicos.

Ya lo dijo Lao Tse Estos caracteres chinos representan el título Tao te Ching, obra atribuida a LaoTse, que pudiera traducirse por El libro del tao y de la virtud. En su capítulo 11 puede leerse (según la traducción de C. Elorduy): “Treinta radios lleva el cubo de una rueda; lo útil para el carro es su nada (su hueco). Con arcilla se fabrican las vasijas; en ellas lo útil es la nada (de su oquedad). Se agujerean puertas y ventanas para hacer la casa, y la nada de ellas es lo más útil para ella. Así, pues, en lo que tiene ser está el interés. Pero en el no ser está la utilidad.” El Tao te Ching es uno de los principales tratados taoístas. Esta escuela filosófica (que pudiera remontarse al siglo IV aC) hizo del vacío una noción central de su doctrina. De hecho, esta apreciación es extensiva a otras escuelas orientales, tanto en China como en la India: el budismo también hace de la vacuidad (sunyata) un concepto central. Según el taoísmo y el budismo, el vacío es la realidad profunda de las cosas; buscar el vacío en la realidad aparente es buscar su verdadera esencia. Esta alta valoración del vacío por parte de Oriente contrasta con una tradición occidental de signo opuesto. El vacío fue fervientemente negado por Aristóteles y tal opinión fue la comúnmente aceptada hasta la Edad Moderna, hasta el punto de acuñar la fórmula del horror vacui. Según ésta, la naturaleza aborrece el vacío, no lo tolera en la constitución de la realidad. El siglo XVII, con Torricelli, Pascal y Guericke, consintió por primera vez –y no sin arduas polémicas– en aceptar el vacío. Desde entonces, entendemos que el vacío es el contrapunto necesario a la presencia de las cosas, es quizás su constitución última y esencial: ya lo dijo Lao Tse.

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Para más información: bibliografía   E. Grant, Much ado about nothing. Theories of space and vacuum from the Middle Ages to the Scientific Revolution, Cambridge Univ. Press, 1981. C. Hadfield, Atmospheric Railways, David and Charles, Newton Abbot, 1967. G. Ifrah, Las cifras. Historia de una gran invención, Alianza, Madrid, 1987. A. Koyré, Del mundo cerrado al universo infinito, Siglo XXI, Madrid, 1989. Th. E. Madey & W. C. Brown (eds.), History of Vacuum Science and Technology, American Institute of Physics, New York, 1983. B. Pascal, Tratados de pneumática, Alianza, Madrid, 1984.  A. Ribas Massana, Biografía del vacío. Su historia científica y filosófica desde la Antigüedad a la Edad Moderna, Destino, Barcelona, 1997. S. Saunders & H.R. Brown, Philosophy of Vacuum, Clarendon Press, Oxford, 1991. S. Shapin; S. Schaffer, Leviathan and the air-pump, Princeton Univ. Press, 1985. Ch. Webster, De Paracelso a Newton: la magia en la creación de la ciencia moderna, FCE, México, 1988.

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