Historia de las Ciencias

Maestría en Enseñanza de las

Ciencias Exactas y Naturales

Universidad Nacional

2010

EL VACIO ¿Lleno de nada?

Beatriz Elena Zamarra Brand

Angela María Garcés Hernández

El vacío, lleno de…

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INTRODUCCION

El vacío ha preocupado a los hombres desde hace miles de años. Demócrito (que nació en 470 a.C.) desarrolló la teoría atómica de la materia que consideraba al Universo formado por átomos y vacío. Epicuro (nacido en Grecia en 342 a.C.) nos dice que para producir el vacío basta separar con rapidez dos cuerpos planos que están bien unidos. Este fue el principio de los metalúrgicos de Egipto, el Cáucaso y China al inventar los fuelles y los pistones, con los que absorbían el aire y después lo comprimían al presionar el fuelle para así activar el fuego y producir las altas temperaturas necesarias para fundir el bronce y el hierro.

Los filósofos griegos consideraban que el vacío significaba falto de contenido y esto fue un

obstáculo para el entendimiento de los principios tecnológicos básicos del mismo.

El descubrimiento de nuevos materiales ha cambiado la historia del mundo. La historia se divide en la Edad de la Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro. En la actualidad son muchos los materiales que disponemos, desde el silicio usado en la electrónica, hasta el carbono en el petróleo y los plásticos. En todos estos casos la tecnología del vacío tiene un papel fundamental.

Cuando uno trata de imaginar el vacío, lo primero que viene a la mente son las regiones interestelares, en donde prácticamente no hay materia entre una galaxia y otra. Quizá pensemos así porque tenemos la idea de que en el vacío no existe nada, pero técnicamente se denomina vacío al lugar donde la presión que se mide es menor que la presión atmosférica normal. Hay diferentes clases de vacío: grueso o primario, medio, alto y ultra alto, y en cada caso, la presión es cada vez menor (o el vacío es cada vez más alto). Cada régimen de vacío tiene un comportamiento diferente, y sobre todo, un cierto tipo de aplicaciones, que son las que hacen del vacío algo tan importante.

Existe gran variedad de usos del vacío que son de importancia para muchas industrias y desarrollos tecnológicos, para la ciencia y para la vida diaria. El vacío se aprovecha en diversas industrias, que van desde la alimenticia hasta la automovilística, la aviación, la obtención de medicamentos, etc. Se puede decir que el área de influencia del vacío afecta a la mayoría de las industrias, lo cual le da un lugar preeminente en el desarrollo tecnológico de un país.

Hoy en día no podríamos imaginar un mercado sin productos enlatados, una casa sin focos, o la vida sin la radio o la televisión. ¿Dónde quedaría el avance médico sin el equipo de esterilización?, éstos y muchos otros productos requieren el uso del vacío en su proceso de fabricación.

Representación del vacío cuántico

Dispositivos electrónicos que consisten en una cápsula de vacío de acero o de vidrio

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LA CIENCIA GRIEGA. El vacío, carente de contenido.

Podemos decir que la reflexión filosófica presocrática referente al vacío, es entendida de cuatro formas distintas, pero estrechamente vinculadas entre sí: La primera, es la de Parménides, que concebiría el vacío como lo carente de ser, identificable con el «no-ser» o la «nada», y como algo está más allá de los límites del ser, por otro.

Esta concepción del vacío está secundada por Meliso, quien la precisa y completa en otros tres sentidos: primero, en un sentido local o espacial, según el cual el vacío sería el espacio libre y carente de contenido material, lógicamente necesario para postular la posibilidad del movimiento; segundo, como una noción dependiente de la idea de límite, según la cual el vacío sería tanto el espacio externo al universo de lo que es, con el que limitaría éste si no fuera infinito, como el intervalo hueco y falto de contenido que delimita las cosas que son, el fundamento del movimiento, de la multiplicidad y del cambio; en tercer lugar, como una especie de oquedad interna a los cuerpos que posibilitaría, la densidad y la rarefacción de aquéllos.

Podemos entonces decir, que las ideas de Anaxágoras, Empédocles y los pitagóricos no añadieron nada nuevo a lo ya dicho, siendo importantes de todos modos porque dejan clara la distinción entre aire y vacío y reafirman la concepción de éste como el espacio de absoluta incorporeidad que separa y delimita las cosas.

La concepción que tienen del vacío los primeros atomistas, Leucipo y Demócrito, quienes fueron los primeros que no sólo postularon su realidad óntica (el ente en si mismo) y existencial, sino que lo convirtieron en una pieza capital de su cosmología.

No es mucho lo que se sabe de Demócrito ya que prácticamente

toda su obra se perdió y sólo sobrevivió por medio de algunos

comentarios de otros autores. Su creación más importante fue la

elaboración de la teoría que explica que el mundo está formado

por átomos (unos trocitos de materia) que tienen bastantes

similitudes con los átomos experimentales que describiría John

Dalton siglos después. La teoría atómica de Demócrito, que

entre otras cosas admite el vacío, permite una física y por lo

tanto una astronomía totalmente distintas a la que se impuso en

los siglos subsiguientes, “la física de Aristóteles”.

Demócrito fue discípulo de

Leucipo, uno de los ideólogos de

las primeras versiones de la

teoría atómica. Nació en Abdera

en Macedonia, actualmente al

norte de Grecia, fue un filósofo

errante y entre sus destinos se

cuentan Egipto, Bagdad (Persia),

Babilonia, India y Etiopía,

centros del saber antiguo en

donde buscaba conocimientos

novedosos a los ojos de los

griegos. Pero, no se puede

concluir nada acerca de sus

estudios, ya que casi todo lo que

se sabe de su física y su filosofía

proviene de comentarios

aislados de Aristóteles (quien

descartaba totalmente la teoría

atómica) y de Epicúreo (quién sí

creía en ella). Es justamente la

teoría atómica la que llega más

detallada a nuestros días;

engloba una concepción del

universo muy interesante y, en

ciertos aspectos, muy moderna.

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A Leucipo se le atribuye la idea de la materia compuesta de átomos y a su discípulo Demócrito

con el desarrollo de dicha idea como corpúsculos de materia, invisibles, indivisibles, llamados

átomos, en movimiento continuo, en el vacío. Esta idea de espacio vacío, necesaria para el

movimiento, no es obvia ni intuitiva, implica la posibilidad del cambio a escala microscópica, por

fuera del alcance de los sentidos, y resultó ser una idea controversial. Este concepto de vacío

como entidad primordial encontró en Epicuro, un siglo después, una expresión y extensión, al

añadir la propiedad de peso, el clinamen (desviación espontánea), y agregar propiedades

especiales al movimiento para impedir que los átomos cayeran al fondo.

Demócrito refuta en ocasiones las apariencias sensibles

y dice que nada en ellas se muestra conforme a la

verdad sino solo conforme a la opinión y que la verdad

de las cosas radica en que ellas sean átomos y vacio,

afirma que el “algo” no existe en mayor medida que la

“nada”, denominando algo al cuerpo y nada al vacio, por

pensar que este ultimo posee una cierta naturaleza y

realidad propia.

Epicuro, establece explícitamente la identificación entre

vacio y espacio, precisión que va algo mas allá de la

concepción de vacio como simple intervalo entre

átomos, en su carta a Herodoto expresa “Si no existen lo

que llamamos vacio, espacio y naturaleza impalpable,

los cuerpos no tendrían donde estar ni donde moverse

cuando aparecen en movimiento”

Lucrecio, atribuyo peso a los átomos y que ese peso es la causa de la caída hacia abajo de los átomos, al privilegiar esa dirección de caída, se rompe la concepción de espacio homogéneo sin direcciones privilegiadas, la caída debida al peso determina una dirección y un clinamen (desviación espontánea). Para Lucrecio, el movimiento de los átomos se explica por los movimientos de las partículas de polvo en un rayo de luz y, aunque incorrecto, es admirable su razonamiento a partir de observaciones del mundo macroscópico para dar detalladas explicaciones de las entidades del mundo

microscópico.

Demócrito desarrolló ideas

sobre la existencia del átomo

que provenían de Leucipo y

Anaxágoras y, en cierta

medida, de Pitágoras. Según

Demócrito “existía un vacío

en el que un infinito número

de átomos se mezclaban

formando todo lo que existe.

Estos átomos eran eternos,

invisibles e infinitamente

pequeños”; de allí su nombre

que significa “indivisible”. Lo

que quedaba afuera de la

teoría era la explicación

acerca de las cualidades,

como el calor o el color;

argumentando que “eran

ilusiones sensoriales creadas

por el cambio en la cantidad

de átomos o en su

disposición”. De allí viene su

famosa frase: “Sólo existen

átomos y vacío. El resto es

opinión”.

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LA NADA NO EXISTE

El proceso iniciado, en el siglo sexto a.C., por Tales de Mileto y continuado por Anaximandro, Anaxímenes, y por Heráclito de Éfeso.

Proponiendo diferentes sustancias primordiales, el fuego como elemento

central y la armonía universal.

Platón no menciona el trabajo de Empédocles ni le importó mucho ni poco la naturaleza de la materia, más allá de su posible representación geométrica. Aristóteles, por su parte, se opuso rotundamente y declara que la afirmación de la existencia del vacío propuesta por Demócrito era absurda, ya que: “el espacio está definido por el cuerpo que lo ocupa y si no hay cuerpo, simplemente no hay espacio: la nada no existe ya que solo lo que es, es; tampoco existe el vacío, ya que no es”.

Para los seguidores de Aristóteles, el mundo sublunar se compone de los cuatro elementos propuestos por Empédocles (tierra, agua, aire y fuego) y cada uno

ocupa su lugar natural del que solo puede ser desplazado violentamente. Cuando se encuentran en su lugar natural, no tienen peso. Así, el aire, que llena el espacio desde la superficie de la tierra hasta las esferas celestes, no pesa y por tanto no

ejerce presión.

Los padres de la Iglesia en el cristianismo durante el Imperio Romano se inclinaron por el idealismo platónico. En especial San Agustín (354 - 436), quien condenó los elementos del epicureismo, en especial el vacío y el papel del azar en el movimiento atómico, además del ateismo subyacente contrario a las enseñanzas de la iglesia.

En el siglo I a.C., Herón de Alejandría realizó un conjunto de experimentos sobre el vacío que se atribuyen a Estratón, de quien se conoce muy poco. De él se sabe tan sólo que dirigió el Liceo de Atenas entre 287 y 269 a.C. Este filósofo combinó el atomismo con concepciones aristotélicas y adoptó una perspectiva empírica sobre la existencia del vacío. Defendió que en todas las sustancias, a excepción del diamante, había espacios vacíos esparcidos entre las partículas. Empleó esta teoría del vacío discontinuo en la interpretación de muchos fenómenos. Así, por ejemplo, afirma que si el vacío no existiera, ni la luz ni el calor podrían atravesar el agua. No obstante esto, rechazó la idea de un vacío externo a los cuerpos.

“Si pesara, un volumen tan enorme

probablemente nos aplastaría”

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LOS ÁRABES. La física y el vacio

Los árabes tenían una cualidad que los

incentivaba a tratar de explicar todo por

medio de la experimentación. Por lo tanto,

la ciencia más importante en el mundo

musulmán fue sin duda la Mecánica (que

ellos enfocaban en la determinación de

centros de gravedad y la determinación

cuantitativa de ciertos equilibrios), de

manera que desarrollaron Instrumentos

como la balanza o la palanca. Se le

atribuye a un árabe, Ab ul Baraq at Al-

Baghd adi como uno de los primeros

hombres en formular la existencia de

vacío.

Los árabes conocedores de las críticas a

la dinámica aristotélica efectuadas por

Filopón (siglo VI d.C, Alejandría ) y

condenado como hereje a pesar de

justificar que el movimiento de los cuerpos

celestes a partir de la fuerza motora

inagotable con el tiempo que Dios les

había conferido; afirmaba que un cuerpo

en movimiento no precisaba estar en

contacto físico constante con un motor ya

que el instrumento que lo había

proyectado transfería su fuerza motriz al

cuerpo en cuestión. Esta fuerza motriz

decrecía según las tendencias naturales

del cuerpo y la resistencia del medio, y

que incluso en el vacío esta fuerza

desaparecía progresivamente, de modo

que cesaba el movimiento forzado. A

partir de esto se evidencia y se cuestiona

los argumentos de Aristóteles para negar

la existencia del vacío, puesto que ya no

se necesitaba un continuo de materia para

transmitir fuerzas por contacto físico. De

esta manera se ponía en cuestión uno de

los argumentos de Aristóteles que niegan

el vacío.

Ibn Bagda, más conocido por su nombre

en latín Avempace, se preocupó en el

siglo XII d. C. de buscar la naturaleza y

causa de los fenómenos no en los datos

inmediatos de la experiencia sensible,

sino a través de un análisis abstracto que

le permitió dejar de lado los factores no

esenciales. Se convirtió en valedor de las

ideas de Filopón, como alternativa a la de

Aristóteles, y añadió un argumento más a

favor de la existencia del vacío: un cuerpo

que se moviera en el vacío se movería

con velocidad finita, no infinita como

concluía Aristóteles, porque aunque no

hubiera resistencia del medio, el cuerpo

tendría que necesitar un tiempo finito para

recorrer el espacio correspondiente.

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LOS ESCOLASTICOS. „horror vacui’

La filosofía natural estuvo dominada por dos milenios por las ideas aristotélicas, reinterpretadas por los escolásticos para ajustarlas a los dogmas del cristianismo.

Aunque las ideas aristotélicas se debatieron en la escolástica y el nominalismo y se manifestaron dudas sobre la capacidad de la física aristotélica de proveer explicaciones adecuadas sobre cómo funciona la naturaleza, los pensadores medievales crearon la noción de que la naturaleza aborrece el vacío, „horror vacui’, para limitar su existencia a producirlo por medios

naturales ya que Dios en su omnipotencia podría crearlo si quisiera.

HORROR VACUI

Aunque esta noción permite explicar varios fenómenos, la imposibilidad de elevar agua por medio de una bomba o sifón a una altura mayor de unos 11 metros, seguía requiriendo de una

explicación aceptable.

Solo en el siglo diecisiete, primero con Pierre Gassendi, clérigo y filósofo francés, quien hizo imprimir el poema de Lucrecio, de

Rerum Natura.

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.

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EL RENACIMIENTO

El propio Universo tiene su lugar en el espacio, que no es más que un vacío inmenso e

infinito que subtiende y recibe a la materia.

El Renacimiento como proceso de

renovación cultural que se extendió por

Europa durante los siglos XV y XVI, se

caracterizó por el florecimiento del

capitalismo mercantil que demandaba el

cambio de las estructuras rígidas y

fragmentarias del sistema feudal

caracterizado por una economía

básicamente agrícola y una vida cultural e

intelectual dominada por la Iglesia, por

nuevas estructuras asentadas en la

economía urbana y mercantil que

promovía el mecenazgo de la educación,

de las artes y de la música, alentaba un

espíritu de confrontación con las viejas

ideas y empujaba ciertos desarrollos en el

ámbito de la ciencia y la tecnología.

En esta época aparecen dos científicos

que van a sentar bases en la ciencia

moderna Giambattista Benedetti y

Giordano Bruno.

Giambattista Benedetti (1530-90) en su esfuerzo de matematizar la ciencia, se opuso a la física cualitativa de Aristóteles en la que la imposibilidad del vacío, se planteaba que si este existiera no habría resistencia al movimiento y los cuerpos adquirirían velocidad infinita, aspecto absolutamente falso. Esto es así, porque la velocidad es proporcional al peso disminuido por la resistencia del medio, con lo cual, aun no existiendo resistencia, jamás se puede hacer infinita. Por otra parte, Benedetti haciendo uso de un experimento mental concluye que los cuerpos compuestos de la misma materia, caerán en el vacío con la misma velocidad.

Por otro lado, Giordano Bruno (1548-1600) llevó a cabo una verdadera transformación de la imagen que se tenía del mundo y de la realidad física. Se opuso al Cosmos finito aristotélico y proclamó la infinitud del espacio y del Universo. Negó la existencia de lugares naturales o direcciones privilegiadas para los cuerpos en movimiento, afirmando que el espacio es el verdadero lugar de los cuerpos. El propio Universo tiene su lugar en el espacio, que no es más que un vacío inmenso e infinito que subtiende y recibe a la materia. Con esto, Bruno identificó el vacío con el espacio que contiene a todos los cuerpos y lo calificó de infinito. Además, apuntó que el movimiento de los cuerpos presuponía la existencia de espacio y que, justamente al contrario de lo que pensaba Aristóteles, la existencia de vacío es la condición necesaria para este movimiento. No obstante, este científico del renacimiento recalca que el espacio vacío no existe salvo allí donde los cuerpos se tocan, puesto que es en realidad el aire o el éter lo que llena el espacio.

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SIGLO XVII. Primer vacio artificial.

Galileo Galilei (1564-1642) refutó las tesis aristotélicas de que los cuerpos pesados caían más deprisa y de la imposibilidad del vacío. Señaló que, precisamente es en el vacío, donde tienen que estudiarse las relaciones entre el peso, determinado por la cantidad de materia por unidad de volumen, y el movimiento. Pero, dadas las dificultades que esto representaba para él, idealizó y matematizó las condiciones experimentales en sus trabajos sobre la

caída de los cuerpos. Esto, le permitió llegar a concluir que todos los cuerpos, independientemente de sus pesos, recorren las mismas distancias en los mismos tiempos. Además, las distancias recorridas son proporcionales al

cuadrado de los tiempos o, lo que es lo mismo, la velocidad de

caída de los cuerpos aumenta uniformemente con el tiempo.

A Galileo se le atribuye el primer vacío artificial del que se tiene noticia, lo consiguió a partir de un cilindro cerrado y un pistón. Conocía también este sobresaliente científico la imposibilidad observada por los prácticos de elevar agua mediante una bomba aspirante a más de 10,5 m. Este hecho lo justificó simplemente diciendo que representaba el límite de la fuerza del vacío.

La física de René Descartes (1596-1650) se basa en dos principios: la inexistencia del vacío y la constancia de la cantidad de movimiento y de la materia. La negación de la existencia del vacío es una consecuencia directa de la identificación cartesiana de materia con espacio, que al ser un atributo de la materia no puede existir.

Además, las distancias recorridas son proporcionales al cuadrado de los tiempos o, lo que es lo mismo, la velocidad de caída de los cuerpos aumenta uniformemente con el tiempo.De Rerum Natura, plantea el vacío como idea central y esencial. Asimismo, la idea del peso del aire comenzó a considerarse aunque mal entendido. Solo en el siglo XVII, aparecieron ideas innovadoras como las del holandés Isaac Beeckman, quien aceptaba el vacío y reconocía que el aire ejerce presión en todas direcciones. Comunicó sus ideas a Descartes, quien negaba rotundamente el vacío y entablaron un animado debate. Pero fue principalmente Galileo, quien hizo legítimo contradecir a Aristóteles y explicar la naturaleza en términos distintos. Galileo se adhirió a las teorías de Demócrito y Epicuro, dando posibilidad a la existencia del vacío.

Montaje del experimento para la caída de los cuerpos en el vacío. Jean Antoine Nollet, Leçons físico Experimental de, París

1743-1748

Galileo dijo que los cuerpos

de cualquier material, peso y

volumen, toda la caída desde

el reposo con la misma

velocidad.

Gracias al desarrollo de

herramientas para producir

fácilmente un vacío al final

del siglo XVII se construye un

ingenioso aparato

experimental que permitió

finalmente demostrar que

Galileo tenía razón.

En un tubo de vidrio,

evacuados por una bomba, al

mismo tiempo se dejó caer

una pluma y una moneda de

oro (una guinea Inglés): los

dos cuerpos, a pesar de su

peso tan diferentes, cayeron

al tiempo.

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Fue hasta mediados del siglo XVII cuando el italiano Gasparo Berti realizó el primer experimento con el vacío (1640). Motivado por un interés en diseñar un experimento para el estudio de los sifones, Berti pretendía aclarar el fenómeno como una manifestación de diferencia de presión de aire en la atmósfera. Creó lo que constituye, primordialmente, un barómetro de agua, el cual resultó capaz de producir vacío (Figura 1).

Al analizar el informe experimental de Berti, Evangelista Torricelli captó con claridad el concepto de presión de aire.

El matemático italiano y admirador de Galileo, Evangelista Torricelli, vino a

trabajar con él cuatro meses antes de su muerte, y dos años más tarde, en 1644, llevó a cabo su famoso experimento, un dispositivo para demostrar los cambios de presión en el aire. Construyó un barómetro que en lugar de agua empleaba mercurio, y de esta manera, sin proponérselo,

comprobó la existencia del vacío (Figura 2).

El reto definitivo a la teoría del horror vacui es el gran mérito del discípulo de Galileo, Evangelista Torricelli. Su famoso experimento, se llevó a cabo en Florencia

en la primavera de 1644: no solo demostró que la naturaleza no aborrece el vació sino que es sencillo producirlo.

El paso final que dio Torricelli fue la construcción de un barómetro de mercurio que contenía en la parte vacía del tubo, otro barómetro para medir la presión de aire en esa región. Se hicieron muchas mediciones y el resultado fue que no había una columna de Hg en el tubo del barómetro pequeño porque no se tenía presión de aire. Esto aclaró que no existía vapor de mercurio en la parte vacía del tubo. Así, se puso en evidencia la presión del aire y, lo más importante, la producción y existencia del vacío.

Figura 1. Equipo

que utilizó Berti

para producir

por primera vez

vacío, alrededor

de 1640.

El vacío existe y el aire pesa son los conceptos revolucionarios demostrados por el experimento de Torricelli, este descubrimiento en sí mismo terminó con el milenario debate sobre la existencia del vacío y es en sí mismo un modelo para ilustrar la diferencia entre el conocimiento filosófico y el científico.

Desde el punto de vista filosófico se sostenía la tesis del ‘horror vacui’, que afirmaba que la naturaleza le tenía horror al vacío y por tanto éste no podía existir. Desde el punto de vista científico, el simplísimo experimento de Torricelli demuestra que este sí existe.

Experimento de Torricelli tipo. Gaspar Schott, Technica curiosa, Mirabilia artis SIVE,

Würzburg 1664

Figura2. Barómetro

construido por

Torricelli en 1644.

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EL VACÍO EXISTE. LA ATMÓSFERA PESA.

El famoso experimento con argento vivo (mercurio), se realizó en el verano de 1644 en Florencia. Un tubo de vidrio de un metro de longitud, abierto en un extremo, se llena con mercurio y se tapa con el dedo, se le da vuelta y se coloca en un recipiente que también contiene mercurio. Se observa que la columna de mercurio desciende pero se detiene a una altura de 76 cm. Torricelli afirma que el espacio creado por encima del mercurio en la columna está vacío y que es el peso del aire el que sostiene la columna de mercurio.

En carta a Michelangelo Ricci, Torricelli afirmó que la columna de mercurio se mantiene debido al peso del aire que presiona sobre la superficie del mercurio en el recipiente, por fuera del tubo, forzando al mercurio a subir en el tubo ya que no hay aire en el interior del tubo y por tanto ninguna fuerza que la

compense.

Por tanto, de acuerdo a Torricelli, vivimos en el fondo de un océano de aire, Torricelli declara que su experimento prueba esos dos conceptos: la naturaleza no aborrece el vacío y que el aire pesa. Estos resultados iniciaron debates y experimentos que daría fin a las doctrinas defendidas por siglos y origen a un período de descubrimientos sin precedentes.

En 1644 el experimento de Torricelli conduciría a resultados trascendentales y el descubrimiento del vacío creó un trauma profundo a nivel científico, filosófico y cosmológico. Los grandes filósofos, científicos y teólogos de toda Europa se dedicaron a un intenso período de reflexión y experimentación para confirmar o cuestionar la existencia del vacío y la presión atmosférica. Resulta cómica tanta actividad acerca de „nada‟, el

vacío.

El proceso que llevó al descubrimiento de la presión atmosférica y sus múltiples consecuencias es una aventura fascinante que se expande por varias décadas, iniciando con el experimento de Torricelli en 1644. En esas décadas, algunas de las figuras más extraordinarias de la Revolución Científica entraron en la brega de probar que el aire pesa y el vacío existe.

Se pueden empezar a describir innumerables intentos y experiencias para demostrar la teoría de Torricelli, que empezaremos a describir a continuación, uno a uno.

Entre los experimentos realizados está el de Blaise Pascal (1623 - 1662) en 1648, que consiste en llevar a cabo el experimento de Torricelli en el vacío, dentro de un amplio recipiente de vidrio del que se ha extraído el aire. En ese caso el mercurio desciende completamente al recipiente. Se observa además, que cuando se permite la entrada del aire, el

mercurio vuelve a subir en el tubo.

Experimento de Torricelli tipo.

Gaspar Schott, Technica curiosa,

Mirabilia artis SIVE, Würzburg 1664

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Otro experimento definitivo de Blaise Pascal, en 1648, consistió en hacer subir el tubo con mercurio, ahora llamado barómetro, a lo alto del monte Puy de Dôme, un pico volcánico en el centro de Francia, donde el nivel del mercurio quedó ocho centímetros menos en el punto más elevado. Pascal interpretó correctamente esta variación como consecuencia de un menor peso de la

atmósfera a mayor altitud.

Con este experimento descubre que la atmósfera consiste de una capa delgadísima alrededor del planeta y no hasta las estrellas como se creía desde la antigüedad. A nivel del mar, y 0oC y una latitud de 45, el nivel de mercurio en un tubo tiene una altura de 76 cm., mientras que una altura de 2500 m, la columna alcanza solo 57 cm. Así que a escasos 10 mil metros de altura, la presión se habrá reducido a 0 cm., o sea que ya no hay

prácticamente atmósfera que pese.

Blaise Pascal luego de una experiencia mística en 1654, abandonó su trabajo científico y se dedicó a la teología y

filosofía.

Otto von Guericke (1602 – 1686) fue alcalde de Magdeburgo, Alemania por casi cuatro décadas; en 1650 inventó una bomba de vacío, que consistía de un pistón y un cilindro con una válvula de una sola vía diseñada para extraer aire de cualquier recipiente al que estuviera conectada. Hasta entonces, en fundición de metal y los herreros empleaban fuelles para comprimir el aire o para extraerlo.

Entre los numerosos e importantes experimentos que Goericke realizó sobre la naturaleza del aire, el más famoso fue la dramática demostración de la presión del aire que realizó en Magdeburgo frente al emperador Fernando III de Austria en 1657. Unió dos hemisferios de cobre de 51 cm. de diámetro y sacó el aire de su interior. Luego colocó tiros de ocho caballos a cada hemisferio y mostró que no eran capaces de separarlos. Cuando se dejaba entrar el aire, estos se separaban sin problema, en 1663 repitió su demostración con 24 caballos en la

corte de Federico Guillermo I de Brandenburgo en Berlín.

La experiencia de los hemisferios de Magdeburgo.

Gaspar Schott, neumáticos Mechanica hydraulico-, Würzburg 1657

Variación del tubo de

Torricelli, la experiencia

ordinaria de vacío en el

vacío.

Pascal, Traitez de l'equilibre

des licores y de la de la

pesanteur masas de

l'aire, París 1663

Los experimentos de Guericke demostraron la capacidad de la atmósfera de realizar trabajo. Con un pistón y un cilindro mostró que cuando se crea un vacío en un lado del pistón, la atmósfera mueve al pistón y a pesos considerables ejecutando un trabajo. Este es el principio básico de la máquina de vapor de Newcomen en 1712. En 1671 publico su tratado "Experimenta nova Magdeburgia de vacuo spatio" o “Nuevos experimentos en Magdeburgo sobre el

vacío”.

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A mitad del siglo, el papel del experimento se imponía como esencial en producir nuevo conocimiento. Este énfasis era especialmente importante en las sociedades científicas, en especial en la Royal Society de Londres, fundada en 1660, y por

su más influyente miembro, Robert Boyle (1627 – 1691).

A Robert Boyle, se le puede llamar el impulsor del método experimental. A finales de la década anterior, Robert Hooke, su asistente, perfeccionó la bomba de vacío y Boyle la emplearía para resolver la espinosa cuestión del vacío planteada por Torricelli. Los oponentes no se silenciaron con los experimentos de Boyle.

Thomas Hobbes siguió convencido de la imposibilidad filosófica del vacío. Boyle, ajeno a las especulaciones filosóficas, replico a sus críticos con una serie de experimentos en los que midió el volumen de una cantidad de gas como función de la presión ejercida sobre el gas. Encontró que cuando el gas se comprime, la presión aumenta y el volumen disminuye. Sus medidas cuantitativas condujeron a la conocida ley de Boyle: “a temperatura constante, el volumen de una muestra dada de gas varia inversamente con la presión”. Significa que la presión

multiplicada por el volumen es constante.

Esto condujo a una simple ecuación matemática, la primera, derivada de datos producidos por experimentos planificados. Si P representa la presión y V el volumen del gas, C es una constante que depende la temperatura y la cantidad de gas:

PV=C

Aunque la máquina de hilar se considera la innovación tecnológica más importante de la revolución industrial, el avance tecnológico que realmente impulsó la revolución fue la máquina de vapor, cuyo proceso se inició varias décadas antes. Es durante la revolución científica cuando surgen los conceptos que permitirían su existencia.

El sonido en el vacío. Robert Boyle de experimentos

físico-Nueva Mechanicall, tocando el resorte del aire y sus

efectos, Oxford 1660

Robert Boyle perfecciona la bomba de succión de von

Guericke apoyando de í las actividades experimentales

en el peso del aire y de vacío. Boyle sí mismo, con

campanas de vacío debido a la bomba, produjo un gran

número de experimentos fundamentales.

De acuerdo con los manifestantes de la nada, el

sonido de una campana en el vacío, no habría sido

notable. Por el contrario, las primeras experiencias en el

tubo de Torricelli parecían demostrar lo contrario.

Boyle demuestra que, mediante la evacuación de un vaso en el que se colocó una

campana, que no podía realmente percibir el sonido.

Había otras experiencias similares, tales como el humo

no sube, pero vuelve a caer en el vacío, y que el agua

hierve a la temperatura ambiente en el vacío.

Bomba de Robert Boyle

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EL SIGLO XVIII. Cinética de gases y vacío

Daniel Bernouilli (1700-82) niega la existencia del éter que todo

lo llena como afirmaba Bruno. Lo hace en su investigación sobre

el comportamiento de los gases. Suponía a los gases

constituidos por pequeñísimas partículas, de las que habría una

ingente cantidad incluso en un pequeño receptáculo.

Optó por un modelo cinético para los gases, cuyas partículas se

moverían rápidamente en todo el espacio vacío disponible,

chocarían entre ellas elásticamente y también contra las paredes

del recipiente. La presión del gas sobre las paredes la

interpretaba mediante los choques de las partículas contra ellas.

Haciendo uso de este modelo Bernouilli llevó a cabo un

desarrollo cuantitativo que le permitió, por una parte, deducir la

ley experimental de Boyle para gases, y por otra, encontrar la

relación entre en aumento presión y el calor suministrado

(aumento de la temperatura) a un sistema de volumen constante.

Dentro de ese proceso científico se vuelva a hacer uso del

concepto de éter, el cual penetra en todos los cuerpos y llena el

vacío concepto usado por Leonhard Euler (1707-83), con el cual

explicaba la propagación ondulatoria de la luz, y proponer un

modelo cinético para los gases en donde las partículas gaseosas

giran en el éter. Para dar una justificación de la mayor velocidad

de la luz respecto del sonido, dio a al éter una densidad mucho

menor que la de aire, pero mucha mayor elasticidad.

En este siglo surge una nueva

clase de fluido sutil o éter: el

calórico. Introducido por Antoine-

Laurent de Lavoisier (1743-94)

con el que designa la materia del

fuego o calor, al que consideraba

un fluido indestructible e

inmaterial. Joseph Black (1728-

99), un gran estudioso del calor,

describió el incremento de

temperatura observada en un gas

cuando se le comprime

rápidamente o en un trozo de

metal al que se le golpea

bruscamente, como

consecuencia de la liberación del

calórico existente entre los

espacios vacíos de las partículas.

El trabajo más importante de Daniel Bernoulli, Hidrodinámica, en 1738; es un estudio tanto práctico como teórico del equilibrio, presión y velocidad de los fluidos.

Demostró que a medida que aumenta la velocidad de un fluido, la presión disminuye, su trabajo se usa para producir un vacío en el recipiente a un tubo por la cual fluye rápido el agua.

El principio de Bernoulli es una formación de las primeras ideas de que la energía se conserva.

La Hidrodinámica de Bernoulli también incluye las primeras explicaciones del comportamiento de los gases ante cambios de presión y temperatura; éste fue el principio de la teoría cinética de los gases.

Daniel Bernouilli (1700-82)

Medidor de calórico utilizado

por Lavoisier y Laplace

Leer

más: http://recuerdosdepan

dora.com/ciencia/fisica/histo

ria-de-la-energia-desde-el-

calorico-hasta-

joule/#ixzz16LtJDTgT

El vacío, lleno de…

15

EL SIGLO XIX. Teoría ondulatoria de la luz, electromagnetismo y vacio

Hasta el primer cuarto del siglo XIX, la teoría con más adeptos era la corpuscular de Newton. Pero, a partir de las investigaciones de Thomas Young (1773-1829) y de Augustin Fresnel (1788-1827), fue mayoritaria la hipótesis del carácter ondulatorio de la luz. Young hizo resurgir hacia 1801 la teoría ondulatoria en la interpretación de varias experiencias con la luz, que consideró una vibración longitudinal que se propaga por el espacio lleno de éter. No obstante, el tratamiento de la luz como vibraciones transversales en el éter exigía a este último tener características de rigidez. Pero, también al mismo tiempo tendría que ser muy poco denso, para permitir el movimiento de los cuerpos celestes y de los átomos. Para explicar las fuerzas que actúan entre las cargas eléctricas y los imanes, Michael Faraday (1791-1867) imaginó que el espacio intermedio estaba lleno de algún ente que pudiese estirar o empujar. A este ente, que conecta polos magnéticos y cargas eléctricas, lo llamó líneas o tubos de fuerza, y les asignó existencia real e introdujo el concepto de campo, como un lugar que permite todas las interacciones (gravitatorias, eléctricas y magnéticas). James Clerk Maxwell (1831-79) trató de poner en forma matemática cuantitativa las ideas de Faraday sobre los fenómenos eléctricos y magnéticos. A partir de la hipótesis de un medio que sirve de soporte al campo electromagnético y llena el espacio, el éter, y de las leyes de la dinámica, dedujo que las interacciones o perturbaciones eléctromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz. De este resultado pudo inferir la identidad de las vibraciones luminosas y electromagnéticas, esto es, que la luz se comporta como una onda electromagnética propagándose en el éter. Cabe señalar, que la eliminación posterior del éter como medio en el que se propagan los campos no invalida el resto de la teoría maxweliana. A finales del siglo XVIII, John Dalton (1766-1844) retomó y modificó la vieja hipótesis atómica, y basándose en los datos experimentales que recogía, la relacionó con el concepto de elemento químico. Imaginó a la materia constituída por átomos indivisibles, esféricos, pero los envolvió de una atmósfera de calórico; y sostuvo que los elementos químicos estaban formados por átomos de una misma clase. En cuanto a los gases, suponía que sus partículas estában en reposo y sus capas de calórico en contacto. Esto es, no había vacío entre partículas gaseosas. Otro estudioso de los gases, Amedeo Avogadro (1776-1856), modificó el modelo de gases de Dalton al defender que las partículas de gas sólo tienen una fina capa de calórico y son muy

En su trabajo titulado

«Esbozos de experimentos e

investigaciones respecto al

fondo y a la luz», Thomas

Young describe su propio

experimento de interferencias

luminosas, conocido también

como de las dos rendijas. Al

igual que Newton, Young

empleó la luz solar

iluminando de forma

controlada un cuarto oscuro.

Las cuatro ecuaciones de

Maxwell describen todos

los fenómenos

electromagnéticos, aquí se

muestra la inducción

magnética por medio de una

corriente eléctrica.

El vacío, lleno de…

16

pequeñas frente a las distancias que las separan. De este modo, el volumen que ocupan las partículas gaseosas es mínimo respecto del volumen total del recipiente que las contiene. En definitiva, propone un modelo de gases que deja entrever zonas de espacio vacío, aunque no se pronuncia sobre si es estático o dinámico. Por otra parte, Avogadro consideró que las partículas de los elementos gaseosos no eran átomos simples, como se venía aceptando hasta el momento, sino un conjunto de dos o más átomos semejantes. Uno de los primeros científicos que abrió camino a la teoría cinético molecular de los gases fue James Prescott Joule (1818-89), quien mostró que con la aceptación de una teoría cinética para el calor y de una teoría atómica para la materia, se podía dar cuenta de un amplio abanico de fenómenos físicos de los gases. El ya citado Maxwell, junto a Ludwig Boltzmann (1844-1906) y Rudolph Clausius (1822-88) se encargaron, mediante métodos estadísticos, de dar forma matemática a dicha teoría. Sin embargo, se ha de señalar una cierta resistencia de los científicos de este siglo a asumir que las partículas gaseosas pudiesen moverse libremente en el espacio vacío. Sólo John Herapath (1790-1868) se destacó en este aspecto, proponiendo una teoría cinética que desarrollaba las ideas de Bernoulli.

El siglo XX. El éter reemplazado por el espacio vacio

En 1905 Albert Einstein (1879-1955) dio a conocer uno de los pilares básicos en que se sustenta la teoría de la relatividad: la velocidad de la luz es constante e independiente de las velocidades de la fuente y del observador. Esta hipótesis, que se vería confirmada experimentalmente, junto con una acumulación de experiencias anteriores donde se pretendía medir la velocidad relativa del éter o respecto de él, acabaría por hacer superfluo al éter como medio de propagación de la luz y reemplazarlo por espacio vacío. En la comunidad científica se rechazan las acciones directas a distancia, como implícitamente admitía la mecánica newtoniana, y se niega la existencia de un medio intermediario que transmite las interacciones. Se acepta, que todas las interacciones están aseguradas por los campos de fuerza (gravitatatorio, electromagnético, etc.). Se les considera como una realidad objetiva que puede existir independientemente de los cuerpos que los han generado, y como una de las formas de existencia de la materia. En suma, ya no hay espacio absolutamente vacío, pues todo está lleno de campos. Joseph John Thompson (1856-1940) ante la confirmación experimental de la existencia de unas partículas cargadas negativamente, los electrones, que son un constituyente de toda la materia, propuso un modelo atómico en que el átomo es una esfera homogénea cargada positivamente y los electrones están incrustados en ella.

Avogadro Las distancias intermoleculares son tan grandes en los gases que podemos decir que la mayor parte de un gas es espacio vacío.

James Prescott Joule, Teoría cinética del calor, unida a una teoría atómica de la materia puede explicar una amplia variedad de fenómenos físicos (propiedades electicas y magnéticas de la

materia)

Experimento de Thompson

Las cercanías de un electrón

pueden medirse variaciones en su masa y su carga, la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.

Modelo Atómico de Thompson

El vacío, lleno de…

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En la segunda década de este siglo, se disponía de átomos radiactivos con una gran energía cinética de los que se podía hacer uso como proyectiles en el estudio de la estructura de la materia: las partículas alfa. Los experimentos llevados a cabo por Enrst Rutherford (1871-1937) en 1911 haciendo incidir un haz de partículas alfa sobre una fina lámina metálica, le llevaron a la formulación de un nuevo modelo atómico. En él se concentra casi toda la masa del átomo en un pequeño núcleo central, cargado positivamente, y a su alrededor se mueven los electrones. Con lo cual, este modelo ofrece una imagen del átomo prácticamente vacío, que es tal y como se acepta hoy en la actualidad a pesar de que el modelo haya sido abandonado y sustituido por el mecano cuántico. Hasta el primer cuarto de este siglo se acumularon ciertas evidencias experimentales de que la interacción de la radiación electromagnética con la materia no se ajustaba de manera adecuada a la teoría de Maxwell para el campo electromagnético. Por otro lado, varios experimentos pusieron de manifiesto que el movimiento de las partículas subatómicas no seguía las leyes de la dinámica newtoniana. Con el correr del tiempo, y gracias a los esfuerzos de científicos brillantes, entre ellos Werner Karl Heisenberg (1901-1976) y Erwin Schrödinger (1887-1961), se llegó a una nueva teoría que constituye la esencia de la física contemporánea: la teoría cuántica. Precisamente un principio formulado por Heisenberg, el principio de incertidumbre, proporciona un nuevo argumento a la ciencia contemporánea para poner en duda la existencia de espacio vacío. Así, si consideramos una zona del espacio vacía, esto implicaría que cualquier campo de fuerzas tendría allí valor exactamente cero. Si aplicamos entonces el principio de incertidumbre, que indica en este caso que cuanto mayor es la precisión con la que se conoce el campo menor es la precisión con la que podemos saber su variación con el tiempo, en el espacio vacío el campo no puede tener valor cero porque su variación con el tiempo también tendría valor preciso cero. En consecuencia, la teoría cuántica nos conduce inevitablemente a llenar el espacio vacío con pares de partículas que aparecen juntas en un instante determinado, se separan, y luego se vuelven a juntar aniquililándose entre sí. Es decir, que lo suponemos espacio vacío es en realidad un maremágnum de materia no permanente: electrones, protones, neutrones, fotones, mesones, neutrinos o cualquier tipo posible de partícula y antipartícula subatómica. En definitiva, se puede concluir que la ciencia actual admite la existencia de espacio vacío de materia real, a saber, de materia permanente, pero este mismo espacio lo llena de materia virtual o no permanente.

En él se concentra casi toda la

masa del átomo en un pequeño

núcleo central, cargado

positivamente, y a su alrededor

se mueven los electrones. Con lo

cual, este modelo ofrece una

imagen del átomo prácticamente

vacío

El experimento de Rutherford mejoró el modelo atómico de

Thomson.

La ciencia actual admite la existencia de espacio vacío de materia real, a saber, de materia permanente, pero este mismo espacio lo llena de materia virtual o no permanente.

El vacío, lleno de…

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A manera de conclusión…

El vacío ha ido ganando protagonismo en la búsqueda de los componentes de la naturaleza. Pero ese vacío no es sólo un componente de la realidad, es además 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.

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.

El vacío, lleno de…

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Referencias consultadas

El vacio y sus aplicaciones, Laura Talavera y Mario Farías, México. bibliotecadigital.ilce.edu.mx

Historia y filosofía de la ciencia, Pontificia Universidad Javeriana, Cali. pioneros.puj.edu.co

El espacio Vacío y sus implicaciones en la Historia de la Ciencia, Joan Josep Solaz-Portolés. I.B. Camp de Túria. Llíria/ Centre Associat de la U.N.E.D. Magdalena Moreno-Cabo B.P.M. de L Eliana. València – España

El origen de la idea de vacío en Grecia, Carlos Megino Rodríguez Departamento de filosofía. Facultad de filosofia y letras. Universidad autónoma de madrid

Biografía del vacío. Albert Ribas. Su historia filosófica y científica desde la Antigüedad a la Edad Moderna. Editorial Sunya Concepciones de los estudiantes e historia de la ciencia: el caso del concepto de vacío, Joan Josep Solaz-Portolés. Horor Vacui. Istituto e Museo di Storia della Scienza, Firenze, Italia

http://www.imss.fi.it/vuoto/iesper7.html

Cunningham, Roberto E. Historias del vacío:la ingeniería y la nada. En Petrotecnica. Diciembre, 2009. Pág 92 a 105.

Chamizo J.A. Garritz A. Química. Editorial Pearson Prentice Hall. Primera reimpresión 1998. Mexico