Realmente una excelente pregunta.
Si uno tratara de explicar las características del “espacio vacío” a cualquier público lego, ¿cómo podríamos realmente imaginarlo? Aquí está mi intento. Si me equivoco en algunos detalles, espero que alguien con más experiencia pueda corregir cortésmente mis errores.
Cuando tratamos de visualizar el ” espacio vacío “, es simple imaginarlo como una especie de gran ” vacío ” … una negrura … un volumen de vacío sin absolutamente nada … sin moléculas … sin átomos … sin partículas … sin fuerzas … no pasa energía por él … no … nada. Existiría en todas partes … en el espacio exterior … en los espacios entre nuestros átomos … ¡en todas partes! Literalmente llena el universo. Puedo imaginarlo como un vacío … fácilmente.
Increíblemente, esa imagen ahora parece ser dramáticamente más compleja, como se explica a continuación.
También podríamos imaginar cómo sería la materia . La materia sería trozos de “cosas”, partículas, átomos, protones, neutrones, electrones, etc. que en lugares … ocuparían parte de este espacio vacío. En la escuela, nos mostraron bocetos de materia como pequeñas partículas esféricas de ” masa ” que vienen en diferentes formas y formas llamadas átomos . Los átomos eran grupos de pequeñas partículas que se unían para formar todas las cosas físicas de las que estaba hecho el universo ( estrellas, planetas, lunas, rocas, polvo espacial, tierra, personas, gusanos, etc. ). Hay alrededor de 98 tipos diferentes de átomos naturales en el universo.
Aprendimos que los átomos a su vez están hechos de partículas esféricas aún más pequeñas llamadas protones , neutrones y electrones . Los protones y los neutrones cuelgan en el centro de un átomo. Los electrones los rodeaban en órbitas.
Los bocetos que todavía se usan hoy para educarnos sobre la materia y los átomos los visualizan de manera muy simple … ¡así!
¡Lo suficientemente justo! Suficientemente fácil de entender con claridad.
Luego, la ciencia descubrió que los protones y los neutrones estaban a su vez, compuestos de partículas aún más pequeñas llamadas ” Quarks ” y ” Leptones “. Cuando se bosquejaron para audiencias laicas, también se demostró que tenían una forma esférica. Los físicos nos dicen que han descubierto seis tipos diferentes de quarks regulares hasta la fecha ( y seis tipos de algunas cosas raras llamadas anti-quarks ). Un protón está formado por dos quarks ” ARRIBA ” regulares, y un quark ” Abajo ” unido por algo llamado ” Fuerza Nuclear Fuerte “. Un neutrón consta de dos quarks hacia abajo y uno hacia arriba. Los electrones son en sí mismos, partículas indivisibles como los quarks, pero pertenecen a una clase de materia llamada ” Leptones “.
Nuevamente, nos mostraron bocetos que los representan como pequeñas partículas esféricas conectadas por líneas de fuerza, como esta:
En estas imágenes, el espacio vacío sería el espacio gris, naranja o blanco entre estas pequeñas partículas de materia.
Estos átomos normalmente estarían en movimiento, bailando, moviéndose, moviéndose a través del espacio vacío a diferentes velocidades. Por lo tanto, aún sería fácil visualizar el espacio vacío como un vacío negro con partículas subatómicas de materia moviéndose ocasionalmente a diferentes velocidades.
Desde entonces, el concepto de materia se ha vuelto … MUCHO más complejo. En lugar de pequeñas partículas esféricas, ahora se percibe que la materia es una nube difusa y manchada de material bastante insustancial que tiene algunos efectos “cuánticos” muy extraños. Por ejemplo, un boceto más moderno de un átomo ahora se parece a esto:
Los electrones ya no son pequeños puntos esféricos que rodean un bonito núcleo esférico. Ahora, están manchadas de nubes de electrones que bailan y pulsan. Sin embargo, todavía podemos imaginar razonablemente que el átomo anterior ocupa un pedazo de vacío negro vacío … al menos más o menos.
Es decir, hasta que los físicos comenzaron a describir los quarks y los leptones como excitaciones cuánticas de varios campos de fuerza, interactuando con los bosones de Higgs en el campo de Higgs para formar masa, que a su vez podría estar hecha o no de cuerdas cósmicas de 9 dimensiones que pueden estar en superposición cuántica con sus antipartículas en otro lugar del universo !! Huh ¿¿¿QUÉ??? (más sobre esto a continuación)
Luego está la Energía … algo a lo que los científicos se refieren como ” fotones “. A diferencia de la materia, que puede ser relativamente estacionaria en el espacio vacío, la energía en forma de fotones, atraviesa el espacio todo el tiempo, continuamente. Nunca están quietos. De hecho, los fotones viajan a través del espacio a una sola velocidad … la increíble velocidad de la luz. Para facilitar la comprensión, los científicos generalmente representan fotones de energía, ya sea como pequeñas partículas esféricas, o como “gotas”, dispersas pero aún discretas. Aquí hay una forma de mirar un fotón de energía (moviéndose de izquierda a derecha a la velocidad de la luz).
En la imagen de arriba, los fotones se mueven en un movimiento ondulatorio … un poco hacia arriba y hacia abajo, de lado a lado. Imagine que están montando en una pista en espiral. A medida que la gota alargada se mueve de izquierda a derecha, no solo se mueve en línea recta, sino en un movimiento de sacacorchos ondulado hacia arriba / abajo / de lado.
OK, podemos imaginar fotones pasando por el espacio vacío ( el vacío oscuro arriba ) como este en su viaje desde el punto A al punto B, luciendo un gran extraño, siguiendo un camino ondulado, pero aún así … imaginable. La cuestión es que hay MUCHOS paquetes de fotones de energía a considerar. En la imagen de arriba, habría muchos cuatrillones de fotones, zumbando a través del espacio en todas las direcciones, cada segundo, viniendo desde todas las direcciones simultáneamente. Desde esa perspectiva, el espacio vacío aún podría ser un vacío de la nada, pero sería un lugar ocupado, con materia ocupada aquí y allá, y fotones de energía por los innumerables números que se disparan a través de él. Incluso dentro de nuestros cuerpos, nuestro propio espacio vacío personal estaría lleno de cosas que lo atraviesan.
Luego …
Todo comienza a complicarse aún más (suspiro !!!). Lo siguiente son las ” fuerzas “. Incluyen la gravedad y el electromagnetismo . ¿Qué es la gravedad o el magnetismo desde el punto de vista del espacio vacío? Sabemos que son una fuerza … algo … que claramente también está pasando por el espacio vacío. Los físicos se refieren constantemente a la gravedad y al magnetismo como “ondas”.
Sin esforzarnos, podemos imaginar las olas. Son disturbios en otra cosa. Una onda de agua, por ejemplo, es una alteración en las moléculas de agua … un patrón de influencia que podemos ver pasar, obligando a las moléculas de agua a moverse hacia arriba y hacia abajo o de lado a lado a medida que se mueve. Una onda de sonido es una perturbación en las moléculas de aire. A medida que pasa a una velocidad particular, las moléculas de aire se mueven hacia adentro o hacia afuera, hacia arriba o hacia abajo o de lado a lado también.
Bueno, si la gravedad y el magnetismo son tipos de ondas, y si pasan a través del espacio vacío, ¿cómo lo están haciendo? ¿Cómo puede una ola pasar por la nada? Si no hay nada que mover hacia arriba o hacia abajo o de lado a lado, las olas se detendrían instantáneamente.
Es decir … a menos que el “espacio vacío” esté hecho de otra cosa … ¡algunas cosas pequeñas que pueden moverse hacia adentro o hacia afuera, arriba y abajo o de lado a lado a medida que pasa una onda gravitacional o un pulso magnético de energía!
Nadie quería pensar que el espacio podría ser así porque eso realmente complicaría las cosas, pero recientemente, esa visión es exactamente lo que se ha desarrollado. Los físicos ahora se están convenciendo de que el espacio vacío es, de hecho, no está vacío en absoluto . Más bien, puede ser un vacío lleno de una especie de estática en constante cambio … un mar de algo que ha sido descrito como ” espuma cósmica “, ” partículas virtuales del espacio-tiempo “, ” energía de vacío “, ” energía cósmica cadenas “o …” Campos de vacío “.
Considere esta imagen a continuación. Es la visión de la NASA de lo que puede estar hecho el espacio vacío … una especie de estática que va y viene continuamente. Los físicos se refieren a ella como una especie de “espuma cósmica o cuántica”. Su nombre más formal es ” Campo de Higgs “. Las pequeñas especificaciones blancas en la imagen representan partículas de espuma de algo llamado ” Bosones de Higgs “. Según los físicos que estudian estas cosas, este puede ser solo uno de VARIOS campos extraños de partículas virtuales, que aparecen y desaparecen dentro del espacio.
En el gráfico anterior, esas motas azul-blancas de los bosones de Higgs están temblando y bailando … yendo y viniendo … constantemente. Todo el espacio, incluso el espacio dentro de nuestros cuerpos y el espacio entre nuestros propios átomos, tendría esta espuma cósmica yendo y viniendo. Se ha recopilado evidencia que sugiere que esto puede ser el aspecto del espacio vacío visualmente … más o menos .
La imagen de arriba es increíblemente pequeña. Esas motas cósmicas son tan pequeñas que miles de millones de ellas podrían caber en el período al final de esta oración. El espacio vacío puede no estar vacío, pero su contenido es pequeño.
Si es así, en realidad se vuelve un poco más fácil para nosotros imaginar cómo una “ola” podría pasar a través del espacio vacío. Si el espacio no está vacío, pero contiene un vasto mar de campos estáticos de espuma virtual, entonces una ola que viene de la izquierda puede perturbar esa espuma, tal como lo haría una ola de agua. ¡Podría pasar por el espacio y salir por el lado derecho! ¿Puedes imaginarlo? ¡Yo puedo!
Dado que el espacio está LLENO de ondas gravitacionales que pasan de cada masa de masa en todo el universo (la materia aparentemente crea ondas gravitacionales y magnéticas ), entonces el espacio vacío estaría en continuo movimiento, un vacío lleno del Campo de Higgs y otros campos, ondulando, bailando, brillando con las olas, impregnadas por trozos de materia y un gran número de fotones que pasan.
Aparentemente, los fotones de energía pura tienen un efecto diferente. En lugar de influir en el campo de Higgs, los físicos han descubierto que los fotones son como pequeñas balas que viajan tan rápido que pueden atravesar este mar de estática sin obstáculos. Al viajar a la velocidad de la luz, los fotones aparentemente ni siquiera notan el campo y no chocan ni interactúan con sus contenidos de Bosones de Higgs de ninguna manera.
Sin embargo, una gran parte de la materia, como un quark o un leptón, chocaría con estos bosones de Higgs a medida que se mueven por el espacio. Al hacerlo, parte de la espuma se adherirá a ellos ( el campo de Higgs es “pegajoso” ) y los hará más pesados (más masivos). Aquí hay una imagen estática de cómo se vería. El quark es la gota rojiza en la imagen a continuación:
En la imagen de arriba, la espuma de bosón de Higgs se adhiere a un quark y lo hace masivo a medida que se mueve a través del mar de Higgs. Extrañamente, sin embargo, los bosones higgs parecen no quedarse mucho tiempo. Investigadores de la física cuántica han descubierto que las partículas de Higgs entran y salen del espacio vacío (el área oscura arriba) con una velocidad increíble. Esa gota rojiza de quark gana y luego los pierde a un ritmo constante. Como resultado, los quarks generalmente no siguen ganando más y más masa. Por el contrario, se mantienen constantes. Mientras los bosones de Higgs se peguen y despeguen, los quarks y los leptones mantienen una masa constante de cierto tamaño. En ocasiones, un pequeño quark podría tener suficientes bosones adheridos para ganar un poco más de masa y convertirse en un quark más grande. Sin embargo, los quarks más grandes son demasiado pesados y demasiado inestables, y rápidamente pierden masa nuevamente, a veces se deshacen en pedazos y se desintegran por completo. ¡Lo que les sucede cuando lo hacen es otra historia!
Bueno, si esta historia es cierta, entonces espero que no sea demasiado difícil entender qué es el espacio vacío. No esta vacio. Es un vacío que contiene una espuma cósmica de varias partículas de campo que van y vienen, con pedazos de quarks y leptones que forman trozos de masa que se mueven a través del espacio e interactúan con los diferentes tipos de “campos” / espuma que existen entre partículas, con gotas de Los fotones de energía pura se desplazan a la velocidad de la luz, mientras que las ondas de gravedad, el magnetismo y otras “ondas de fuerza” pasan en todas las direcciones, ondulando el campo de Higgs y otros campos y haciéndolos mover.
Lo extraño y aterrador es que esto puede estar sucediendo dentro de nuestros cuerpos. Cada quark que tenemos, cada electrón, cada átomo, siempre estaría bañado en una masa hirviente de bosones de Higgs que parpadeaban dentro y fuera de la existencia en nuestros espacios vacíos, pegándose y despegándose de nuestros miles de millones de quarks y átomos, mientras trillones de fotones de energía. y las ondas gravitatorias de los agujeros negros en el universo pasan a través de nuestros cuerpos cada microsegundo. Whoa!
Por supuesto, eso lleva a una pregunta muy espinosa. ¿De qué están hechos los bosones de Higgs y otras partículas virtuales? ¿De dónde viene el campo de Higgs y sus bosones de Higgs? Si entran y salen del espacio vacío de nuestro universo constantemente, apareciendo y desapareciendo, ¿dónde se originan? ¿A dónde van cuando se van? ¿Podría haber algo más allá de nuestro universo que es la fuente de ellos?
Todo un campo de la física está tratando de responder esas preguntas. Ya se ha preguntado en Quora. Estoy trabajando en mis propias respuestas a esas preguntas ahora, y publicaré un enlace cuando esté listo. Baste decir que los bosones de Higgs han sido descritos como manifestaciones de excitación en el campo de Higgs (???), y / o como una colección de diminutas y diminutas “ cadenas cuánticas cósmicas ” multidimensionales. Cuántas cuerdas diminutas conformarían un bosón de Higgs, no está claro. En cualquier caso, si existen, las cadenas cuánticas pueden ocupar otras dimensiones del espacio y el tiempo, o posiblemente universos completamente diferentes (llamados Multiverso). Serían cosas muy muy extrañas y representarían una línea completamente diferente de razonamiento.
Espero que esta discusión haya ayudado a imaginar cómo podría verse el espacio vacío.