"Estamos hechos sobre todo de vacío. Si nos compactaran, cabríamos en una cucharilla"

El italiano Guido Tonelli (Casola in Lunigiana, 1950) no es un científico más: es uno de los físicos más importantes del mundo, un investigador cuyo nombre ha quedado inscrito en los anales de la ciencia contemporánea. Profesor en la Universidad de Pisa e investigador del CERN, fue uno de los protagonistas del histórico descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs, partícula que los científicos llevaban décadas buscando para explicar el origen de la masa del universo.

Tonelli ahora centra su interés en el vacío. La prueba está en su nuevo y fascinante libro, La elegancia del vacío (Ariel), donde analiza cómo el “vacío” —esa aparente nada— es, en realidad, un tejido lleno de energía y significado. “No es estático ni banal, sino vivo y rebosante de partículas. El vacío es completamente diferente a como lo habíamos imaginado hasta ahora, nos cuenta Tonelli, quien en su nuevo libro repasa, desde la Grecia clásica hasta las investigaciones más punteras, la apasionante historia de uno de los mayores misterios del universo: el vacío.

PREGUNTA. Hablamos de “discursos vacíos”, de “caer en el vacío”, de “palabras vacías”, incluso de “estómago vacío” en alusión a un malestar físico y de “vacío interior” para definir cierto malestar mental. ¿Por qué el vacío tiene desde siempre en Occidente una connotación negativa?

RESPUESTA. Porque aún resuena en nuestra conciencia moderna, 2.500 años después, el viejo anatema que dio origen a la filosofía occidental y es el fundamento de todo nuestro conocimiento y cultura: el enfoque en el ser. Este enfoque en el ser ha tenido un enorme potencial; ha producido la ciencia más avanzada, ha permitido el nacimiento de corrientes filosóficas, de pensamiento y también científicas, ha permitido llegar a la ciencia moderna, es decir, a proporcionar una explicación detallada y completa del mundo que nos rodea, de nosotros mismos, del yo. Ese enfoque en el ser ha construido la literatura, los personajes, las historias, nuestra cultura, todo... Lo que hemos pasado por alto, sin embargo, es el contenedor, la envoltura, como si nosotros, los planetas, las galaxias, todas las cosas materiales, estuviéramos rodeados de la nada. De hecho, investigar esta envoltura que rodea a todas las cosas se ve con frecuencia como algo negativo, indecoroso, peligroso, porque tiene que ver con la nada, con esta entidad que en la cultura griega se asemeja a la aniquilación. La nada y la aniquilación son muy cercanas en el mundo griego, y de ahí surge la dificultad de comprender la riqueza del vacío. En los últimos cien años la ciencia contemporánea ha comprendido algunas cosas maravillosas sobre este concepto, pero todavía luchamos por desarrollarlas.

P. La filosofía oriental siempre ha abordado el vacío de una manera muy diferente a como se ha hecho en Occidente, ¿verdad?

R. Sí. Y no sólo la filosofía, también el arte, la literatura y, por supuesto, la religión. Hay algunos que dicen, erróneamente, que lo zen anticipó la mecánica cuántica, un razonamiento que no me gusta, porque no me parece de recibo atribuir a pensadores del siglo VI a. C. la identificación de algunos de los conceptos más avanzados de la ciencia contemporánea. Pero sí es cierto que el concepto de vacío en Oriente es totalmente diferente al nuestro. No existe ese miedo que genera el vacío en Occidente; en Oriente es algo mucho más cercano, conceptual, abstracta y filosóficamente.

P. La física cuántica, ¿nos ha hecho entender que el vacío no está vacío, sino lleno de cosas?

R. Absolutamente. De hecho, el vacío no solo no está vacío sino que se asemeja a una plenitud de potencial. En la mecánica cuántica todo fluctúa, todo oscila. Si hablo de un electrón, de un electrón que por ejemplo circula por los mechones de tu cabello, la gente tiende a imaginarlo como una pequeña bola, pero en realidad no es así. Cualquier partícula cuántica, incluso la más simple de todas, la más popular como el electrón, hay que imaginarla rodeada de una nube de partículas virtuales que provienen precisamente del vacío, que se extraen continuamente del vacío y que vuelven al vacío. Es una fluctuación continua; es como si, al pasar por el vacío, la partícula se revistiera continuamente de diferentes formas. De hecho, la partícula adquiere todo tipo de potencial: puede, por ejemplo, volverse positiva o negativa, fluctuar, variar, tener mayor o menor energía y cruzar barreras energéticas que nunca podría cruzar en la física clásica. Así que de hecho el vacío es una fuente de materia y energía. Desde que se descubrió la antimateria, sabemos que el vacío se puede ver como un reservorio de materia y de antimateria. Al final, eso es lo que hacemos aquí en el CERN.

P. ¿Qué hacen exactamente en el CERN? Hasta donde yo sé, aceleran partículas subatómicas, preferentemente protones, a velocidades cercanas a la de la luz y hacen que choquen entre sí. Pero no entiendo qué tiene que ver eso con el vacío…

R. En el CERN golpeamos el vacío. Cada vez que ocurre una colisión de protones, es como si golpeáramos con un potente martillo el vacío e inyectáramos energía en él. Cuando golpeamos con un martillo un gong, este nos devuelve la energía en forma de sonido, de vibraciones, mientras que cuando golpeamos el vacío, este nos la devuelve en forma de partículas. Cuando inyectamos en el vacío energía con una colisión, el vacío nos la devuelve en forma de partículas o antipartículas que se producen en ese vacío y que podemos detectar. Así que a diario vemos que el vacío es una especie de fábrica de infinidad de estados materiales, y algunas de estas características, que apenas estamos empezando a comprender en las últimas décadas, podrían resolver incluso problemas muy materiales y concretos. El día en que comprendamos realmente las leyes que rigen la estructura más íntima del vacío, quizá nos deparen sorpresas increíbles, incluso desde un punto de vista práctico.

P. ¿Como por ejemplo?

R. Ahora mismo hablamos de conceptos casi filosóficos; estamos muy lejos de las aplicaciones prácticas, así que es difícil imaginarlas. Pero estoy seguro de que, así como cuando se descubrieron las leyes microscópicas de la materia surgieron tecnologías increíbles como la microelectrónica, la informática o la física del estado sólido, también podrá llegar el día en que descubramos las leyes más íntimas de la estructura del vacío.

"El vacío es una especie de fábrica de infinidad de estados materiales, y algunas características podrían resolver problemas concretos"

P. Entiendo lo que dice de que el vacío no está vacío. Pero entonces, ¿no existe realmente un vacío donde no haya nada, absolutamente nada?

R. Esa es un poco la conclusión a la que llego al final de mi libro, cuando digo que si tal vez Aristóteles lo leyera sonreiría, porque después de reinar durante 1.400 años su pensamiento, que se puede resumir en la frase ’la naturaleza aborrece el vacío,’ llegó la ciencia moderna con Galileo, Torricelli y Pascal, quienes descubrieron que la naturaleza no sólo no aborrece el vacío sino que el vacío está esencialmente en todas partes, que el vacío rodea al universo, que absorbe todo el universo. Antes se pensaba que los planetas rotaban en una especie de estructura cristalina, en una estructura sólida, por muy delgada que fuera. Pero Newton demostró que si hubiera alguna forma material, no sería posible explicar esas órbitas elípticas de los planetas, así que de repente es como si todo el universo se vaciara. Cuando a partir del siglo XIX nos aventuramos en la estructura más íntima de la materia, en lo infinitamente pequeño, descubrimos que la materia también está vacía, hecha esencialmente de vacío. En nosotros mismos, en nuestro cuerpo, prevalece el vacío. Si se compactaran nuestros diminutos componentes materiales, cabrían en una cucharilla. Somos como una esponja en la que el espacio realmente ocupado por los quarks y los gluones que forman los protones y neutrones y por los electrones que orbitan a su alrededor es tan diminuto que si los concentráramos, el espacio que ocuparíamos sería minúsculo.

P. Los seres humanos estamos hechos entonces esencialmente de vacío. Interesante…

R. Así es. Cuando vamos al hospital a hacernos una radiografía, los rayos X nos atraviesan sin problemas porque tenemos mucho vacío. Pensamos que somos compactos porque no podemos atravesar una pared, porque cuando nos sentamos en una silla no nos caemos al suelo. La realidad es que somos una esponja con apariencia compacta, pero esa esponja está hecha esencialmente de vacío. Imagínese una galaxia: si uno la observa desde lejos con un gran telescopio, ve un cúmulo de estrellas que parecen muy compactas, muy próximas una de la otra, parece un cuerpo continuo. Pero si te acercas y la observas con un telescopio mucho más potente, te darás cuenta de que la distancia entre las estrellas es monstruosa. Nuestra galaxia está hecha casi en su totalidad de vacío y luego, aquí y allá, rara vez, hay estrellas y planetas. Pues bien, lo mismo ocurre con los cuerpos materiales más comunes: una montaña, una cabeza de un alfiler, usted, yo: todo está hecho esencialmente de vacío. En este escenario, los científicos primero descubrieron el vacío fuera de nosotros, el vacío cósmico, y luego el vacío subatómico, que domina el mundo de las distancias infinitamente pequeñas. De ahí la idea de que no puede haber nada verdaderamente vacío, pero al final resulta que tal vez la naturaleza de alguna manera lo es, de alguna manera Aristóteles se vengó de estos científicos arrogantes que le dieron la patada.

"Nuestra galaxia está hecha casi en su totalidad de vacío y luego, aquí y allá, rara vez, hay estrellas y planetas"

P. El universo nació del vacío, ¿el vacío es por tanto creador?

R. Hay dos conceptos en ese sentido que son verdaderamente maravillosos y de los que me gusta hablar. Son dos conceptos tan hermosos que todo el mundo debería de conocerlos, no sólo los científicos. Uno es el concepto de vacío creativo, esa estructura potencialmente activa capaz de generar un universo. Esto nos debe de llenar de alegría, es una buena noticia, no es algo angustiante, al contrario. Y la otra cosa, todavía más sorprendente, es que en el desarrollo de un universo desde el vacío no se pasa del vacío a lo lleno, no es que esté el vacío y que este de repente se llene, no, es un vacío que permanece vacío pero cambia de forma, cambia de apariencia. Ahora que estamos en época de carnaval, es como si un vacío se disfrazara y decidiera ponerse un vestido colorido, maravilloso y tan bonito que ya no le haga parecer vacío, sino otra cosa. En el momento en que nace un universo, el vacío se transforma en estos dos elementos complementarios. Aquí volvemos un poco a las filosofías orientales, a los conceptos de espacio-tiempo y masa-energía, dos conceptos complementarios, entrelazados. Podemos decir que nuestro universo es una mezcla de masa-energía y espacio-tiempo, pero que permanecen en un estado de vacío porque su energía total permanece cero. Los números cuánticos de este nuevo vacío vestido de carnaval siguen siendo los números cuánticos del vacío, así que científicamente sigue siendo vacío. Todo lo que nos rodea, incluyéndonos a nosotros mismos, sigue en un estado de vacío. Yo personalmente encuentro esto aún más hermoso e increíble que el vacío creativo, porque además este vacío es creativo, en el sentido de que sufre una metamorfosis. Aquí volvemos a Ovidio, a los antiguos mitos latinos y griegos: este vacío engaña a estos canallas antropomórficos, un poco engreídos a pesar de haber llegado a este pequeño planeta hace sólo tres o cuatro millones de años, hasta el punto de hacernos imaginar que se ha convertido en algo completamente ajeno, incluso opuesto al vacío, al universo material que siempre se ha imaginado como algo heterogéneo, opuesto al vacío. En realidad el universo está hecho de vacío, es verdaderamente vacío, es vacío con diferentes componentes. Es como el hielo o el vapor, que siguen siendo formas del agua aunque tengan una apariencia muy diferente a la del agua líquida.

"En el desarrollo de un universo no se pasa del vacío a lo lleno, es un vacío que permanece vacío pero cambia de forma, cambia de apariencia"

P. ¿Es contagioso el vacío? ¿Tiende a expandirse por todas partes?

R. Buena pregunta. No lo sé, es algo que aún debemos comprender. Pero podemos hacer un ejercicio de imaginación, aunque sea violando siete u ocho leyes de la física y entrando en el terreno de las puras suposiciones. Imaginemos el origen de nuestro universo, y como estamos acostumbrados a una estructura espacio-temporal, debemos imaginar un vacío extenso, un enorme volumen de vacío. Ya estoy cometiendo un terrible error, porque en el vacío no hay espacio-tiempo, y por lo tanto es un vacío sin tiempo, un vacío sin espacio, pero nos sirve para construir una imagen. Así que, incluso con todas estas precauciones, cuando uno imagina un vacío en un estado primigenio, imagina un punto concreto, pero ahí hay otra contradicción: no hay punto, no hay un momento concreto. Nuestro universo nació, y la pregunta es: ¿por qué no nacen otros universos? Si el mecanismo es tan espontáneo, si surge sin esfuerzo, si es una transformación natural del vacío, es inevitable pensar que existen otras zonas —llamémoslas así, entre comillas— del vacío en las que se pueda producir el mismo mecanismo, ¿verdad? Así, podemos imaginar otros universos con una evolución similar a la del nuestro pero diferentes, podemos imaginar que, como ocurre en el mundo de las partículas elementales, nace un universo material que se expande y luego, debido a ciertas condiciones, no puede evolucionar y regresa al vacío, como una burbuja en una bañera que parece expandirse y de repente estalla y desaparece. Es decir, un vacío-vacío que se convierte en universo vacío y regresa luego al vacío-vacío. Eso podría ocurrir, sé que estamos especulando, pero podría pasar.

P. ¿Y podría pasar eso con nuestro universo? ¿Podría nuestro universo regresar al vacío del que procede?

R. No parece. Durante décadas se pensó que efectivamente ese podría ser el fin de nuestro universo e incluso tenía algo de elegante, en el sentido de que se parecía a las filosofías orientales que predicen un universo cíclico, un universo que entra en fase de desarrollo y luego deja de expandirse y termina. En el caso de nuestro universo, durante un tiempo se pensó que había expansión y luego contracción, que se pasaba de la gran expansión del big bang a la gran contracción del big crunch, con la idea de que de ahí quizás podría nacer otro universo con diferentes constantes físicas, con diferentes leyes de desarrollo. Algunos científicos siguen convencidos de esa teoría, pero la gran mayoría la rechazó cuando se descubrió la energía oscura, cuando se descubrió que el espacio-tiempo de nuestro universo se está expandiendo a una velocidad cada vez mayor. A partir de la segunda mitad de la década de 1990, cuando se descubrió sin lugar a dudas que las galaxias más distantes se alejan a una velocidad cada vez mayor, que se produce una aceleración en la tasa de expansión que nadie puede explicar excepto imaginando una energía distribuida por todo el universo a la que llamamos energía oscura, llegamos a la conclusión de que nuestro universo no puede detenerse, no puede retroceder, que la gravedad no permite detener la aceleración que experimenta. La idea inicial era que la expansión original se habría visto frenada por la gravedad que lo retiene todo, que la gravedad habría prevalecido tarde o temprano y por lo que habríamos vuelto a la contracción. Pero con la energía oscura, el universo continúa expandiéndose; la gravedad es incapaz de contener esta fuerza de expansión y, por lo tanto, nuestro universo está destinado a continuar esta expansión indefinidamente.

P. ¿Existe el vacío fuera de nuestro universo? ¿Hay vacío más allá de los límites de nuestro universo?

R. Eso suponiendo que podamos definir los límites del universo… Actualmente, definimos los límites del universo observable. Tenemos telescopios muy potentes pero, obviamente, no podemos ver más allá de su alcance. El objeto más distante que podemos ver define el universo observable, y no podemos saber qué hay más allá. Pero podemos imaginar. Nuestro universo en expansión, ¿sobre qué se está expandiendo? Esta es una buena pregunta que creo que traduce la que usted me está haciendo. Imagínese que tenemos el vacío a nuestro alrededor, ese “vacío” con comillas del que ya hablé antes, y que esa bola, esa burbuja que inicialmente era diminuta, ahora es gigantesca y sigue expandiéndose. A medida que se expande, transforma el vacío en un universo vacío, así que a medida que se expande, porciones de vacío se vuelven similares a lo que llamamos universo vacío, es decir, a nuestro universo.

P. Creo que me he perdido…

R. Se lo explico con un ejemplo. ¿Conoce el gorgonzola, verdad? Es el mejor queso del mundo. Es un queso blanco dentro del cual hay zonas de moho verde, muy sabrosas, muy buenas. Imagínese que el vacío fuera la zona blanca y nuestro universo, la parte verde más sabrosa. Y ahora piense en un gorgonzola en el que las partes verdes se expanden en la zona blanca, volviéndola más rica, más hermosa y dándole una apariencia más interesante.

"No debemos imaginar la investigación científica como una marcha triunfal. El fracaso es lo más común en la vida de los investigadores"

P. ¿La búsqueda del vacío marca el comienzo de una nueva era para la ciencia, para la física?

R. Eso es lo que muchos pensamos: que estamos ante un nuevo desafío. Uno de los misterios más desconcertantes, una de las preguntas de la física del siglo XX aún sin resolver —aunque las mentes más brillantes, desde Einstein hasta Hawking y docenas de otros físicos teóricos brillantes lo hayan intentado— es la unificación entre la ley general de la gravedad y la mecánica cuántica. Durante todo el siglo XX, esta relación ha permanecido sin explicación porque, de alguna manera, seguimos sin comprender la gravedad. Es bastante vergonzoso que hayamos logrado proporcionar una descripción cuántica de las fuerzas más extrañas, como la fuerza débil y la fuerza fuerte o la fuerza electromagnética, y que no tengamos una descripción cuántica de la gravedad.

P. ¿La clave puede estar en el vacío?

R. Sí, algunos científicos pensamos que la razón por la que aún no se ha encontrado una respuesta puede estar relacionada con nuestra ignorancia sobre el vacío, el vacío en este caso de la estructura del espacio-tiempo. La gravedad, en la descripción de Einstein, es una característica geométrica del espacio-tiempo, y puede ser que no la entendamos porque no hemos entendido el espacio-tiempo, no hemos entendido qué estructura, qué simetrías profundas gobiernan el espacio-tiempo a nivel microscópico. Y si no comprendemos completamente las características del espacio-tiempo, desconocemos con exactitud qué leyes sigue lo que llamamos el vacío, el vacío cósmico.

"Se ha demostrado que el vacío contiene energía y la transmite. ¿Quién puede descartar que eso dé lugar a descubrimientos revolucionarios?"

P. ¿Espera entonces descubrimientos importantes en este campo en los próximos años?

R. Muchos científicos, entre los que me incluyo, creemos que es una frontera en la que habrá grandes sorpresas, porque apenas ahora está comenzando a atraer la atención científica. El primer paso es plantear las preguntas correctas. Probablemente, hasta ahora, no nos habíamos hecho las preguntas correctas. Y, además, contamos con tecnologías increíblemente potentes; por ejemplo, podemos medir la presión del vacío, algo inimaginable hace 50 años. Hoy en día, se pueden realizar experimentos en los que se colocan dos placas de metal muy juntas y si hay vacío alrededor de las dos placas de metal, el vacío hace que estas dos placas se doblen. Está claro que se trata de un efecto mínimo, pero recordemos que el efecto fotoeléctrico que explicó Einstein también era mínimo. ¿A quién le importaba entonces, en 1905, que al iluminar ciertos metales se generara una pequeña corriente? Él dio una explicación, y hoy estamos rodeados de células fotoeléctricas. Nadie podría imaginar que de un efecto tan mínimo pudiera surgir una tecnología para producir energía. Llevamos unos diez años en los que se ha demostrado que el vacío contiene energía y la transmite. Es como si hubiéramos descubierto una nueva forma de transmitir energía a través del vacío, otra propiedad del vacío del espacio-tiempo que se había hipotetizado pero que nadie había revelado. Estas ondas son mínimas, insignificantes, son fenómenos extremadamente elusivos, pero ¿quién puede descartar la posibilidad de que comprender estos fenómenos pueda dar lugar a descubrimientos revolucionarios?

P. Hace unos años, usted formó parte del equipo que descubrió el bosón de Higgs. ¿Cómo fue aquel descubrimiento y cómo lo recuerda?

R. No debemos imaginar la investigación científica como una especie de marcha triunfal de Aida con elefantes, caballos y trompetas. El fracaso es lo más común en la vida de los investigadores. ¿Por qué? Porque no es fácil, porque tenemos que innovar y porque a menudo se cometen errores, incluso cuando se trabaja con la máxima profesionalidad, simplemente porque la naturaleza es compleja y, por lo tanto, investigarla es muy complicado. Cuando empecé en la década de 1990, tenía 40 años, era un joven investigador con cierta experiencia y quería hacer el experimento que yo decidiera, no el que quisieran otros. Quería realmente participar en la concepción. Éramos un grupo de unos diez científicos, jóvenes, todos de esa edad, y empezábamos a discutir cómo podíamos descubrir el bosón de Higgs, algo que la generación anterior de excelentes científicos no había logrado. Empezamos a anotar ideas, y nuestras ideas eran descabelladas: como por ejemplo un acelerador de 27 kilómetros, con inyectores tan grandes como un edificio de cinco pisos. Esa idea que teníamos en mente generó ironías y ataques por parte de los científicos más consagrados de la época, quienes nos menospreciaban un poco diciendo: “Esta gente llega, se cree genial y propone cosas inalcanzables”. Era cierto que eran cosas inalcanzables en aquel momento porque las tecnologías no existían, pero nosotros imaginábamos desarrollar esas tecnologías. Pero cuando empezaron a tomarnos en serio, a decirnos "bueno, inténtenlo, demuéstrennos de qué son capaces" y nos dieron la primera financiación, fue el desastre, porque tuvimos que trabajar arduamente durante 20 años para desarrollar las tecnologías que harían realidad nuestro sueño. Fue una dura prueba, un ciclo constante de fracasos, intentos, cambios de dirección, falta de dinero, más fracasos... Así fue la aventura del LHC (siglas en inglés del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el acelerador de partículas más grande y potente del mundo). Todos esos fracasos tuvieron tanto impacto en nosotros que cuando empezamos a ver los primeros resultados casi no lo podíamos creer, de tan acostumbrados como estábamos a que ocurrieran catástrofes.

"No hay mayor recompensa para un científico que ha perseguido un sueño 25 años que ser de los primeros en ver un nuevo estado de la materia"

P. ¿Usted vivió en primera persona el descubrimiento del bosón de Higgs?

R. R. Sí. En ese momento, yo era el responsable del CMS, era el jefe del experimento, y estaba siguiendo que todo funcionaba correctamente cuando empezaron a surgir las primeras señales. Nosotros trabajábamos con compartimentos estancos, precisamente para garantizar la máxima independencia de nuestras investigaciones, para no resultar influenciados. Pero ATLAS y CMS, los dos experimentos que se llevaban a cabo, no sólo trabajaban por separado sino que no se comunicaban entre sí, los grupos de investigadores trabajan sin contacto unos con otros, para evitar que si un grupo empezaba a ver algo, el otro se sugestionara también. Intentamos mantener la máxima integridad y sólo yo, el jefe, tenía acceso a todos los grupos. Aquella mañana participé en los dos grupos de investigación más importantes que había, que no sabían el uno del otro, y comprobé que ambos habían visto una partícula con una masa de unos 125 GeV (gigaelectronvoltios), y que daría pie al descubrimiento (del bosón de Higgs). Pero eso que le cuento ocurrió en noviembre de 2011, es decir, seis meses antes del anuncio del descubrimiento. Los que estábamos allí en ese momento sentimos una enorme emoción, se nos iluminaban los ojos, pero nadie decía nada. Transcurrido un rato dijimos vale, buen trabajo, ahora vamos a intentar matar esta señal, porque esta es otra de las cosas que el público no sabe, que cuando hay los primeros indicios de una nueva partícula no tratamos de aumentar esas señales, sino que hacemos de todo para tratar de matarlas, porque tenemos miedo, una vez más, de que sea una falsa alarma y necesitamos descartar que se trate de un error. Pero después de todos nuestros intentos no conseguimos matar la señal, lo que podía significar que quizá ese fuera el bosón de Higgs, como así ocurrió. Cuando recuerdo aquellos días todavía hoy se me pone la piel de gallina. No hay mayor recompensa para un científico que como yo y otros ha perseguido un sueño durante 25 años, que ser de los primeros en ver un nuevo estado de la materia.