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La mayoría de las personas ha escuchado que el cero absoluto es la temperatura más baja posible pero, ¿qué significa esto? ¿Es verdaderamente la temperatura más fría, o sólo la más baja que podemos medir?

De acuerdo con Moses Chan y Evan Pugh profesores de física de la Universidad Penn State, contestar estas cuestiones requiere una comprensión del significado de temperatura.

Tres imágenes que muestran la formación de un condensado de Bose-Einstein de átomos de rubidio. Cortesia de NIST

"La temperatura es una medida del grado de “desorden” o “confusión” de un sistema", dice Chan. "Cuando un sistema se enfría hasta el cero absoluto, entonces el sistema está perfectamente ordenado con todos sus constituyentes — moléculas y átomos — en el lugar adecuado. Esta es la menor temperatura posible". El cero absoluto, o 0 K (kelvins) corresponde a –273,16° C, o –459,688° F.

Antes de que se desarrollase la mecánica cuántica como modelo para explicar el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas, los científicos pensaban que los átomos cesarían su movimiento en el cero absoluto. Sin embargo, incluso a esta temperatura, los átomos y moléculas mantienen lo que se conoce como energía de punto cero, la energía mínima que puede tener un sistema. Tal y como explica Chan, la energía en el vacío del espacio se considera una forma de energía de punto cero. También descrita como estado “base” o “estacionario”, el cero absoluto está considerado un estado estable del que no se puede eliminar más energía.

"A menores temperaturas", continua Chan, "los efectos de la mecánica cuántica dominan las propiedades de toda la materia". El algunos materiales, el efecto es verdaderamente espectacular. A temperaturas lo bastante bajas, por ejemplo, algunos tipos de materia se convierten en superconductores, portando corrientes eléctricas sin resistencia en absoluto. Las aplicaciones prácticas de este fenómeno incluyen las máquinas de IRM de altos campos magnéticos y los motores eléctricos y transformadores de alta eficiencia.

Otro ejemplo gráfico de los efectos cuánticos puede encontrarse en el helio líquido. Cuando el helio líquido se convierte en un superfluido, a temperaturas por debajo de 2,176K, apunta Chan, puede fluir sin fricción. La carencia de fricción significa que el superfluido no tiene viscosidad. Si se provoca que una gota gire en el interior de un contenedor, puede continuar girando para siempre como si estuviese en el vacío. Para Chan, esto son ejemplos de fenómenos cuánticos macroscópicos — la mecánica cuántica funcionando a escala macroscópica.

Allá por los años 20, los físicos Satyendra Bose y Albert Einstein predijeron que a muy bajas temperaturas las partículas tales como átomos se agruparían en exactamente el mismo estado de energía cuántica. Este estado de la materia es conocido como Condensado de Bose-Einstein Condensate (BEC). El grupo de partículas actúa como un único átomo gigante. Este fenómeno, apunta Chan, se observó finalmente en laboratorio en 1995 enfriando átomos de rubidio en la fase de vapor a una temperatura de 50 nanokelvins (mil millonésimas de kelvin) sobre el cero absoluto. Los físicos que lo observaron, Carl Weiman y Eric Cornell, fueron galardonados con el premio Nobel por su trabajo.

La propia investigación de Chan a muy bajas temperaturas logró un avance importante en 2004. "Mi antiguo estudiante, Eunseong Kim, halló que el helio sólido también exhibe propiedades similares a las del superfluido por debajo de 0,2K", explica. "Encontrar esta fase de supersólido indica que los tres estados de la materia – líquido, sólido y vapor — pueden sufrir el estado BEC". El fenómeno de supersólido ha encendido el interés de los físicos teóricos y de baja temperatura de todo el mundo. Chan y sus actuales estudiantes — Tony Clark, Xi Lin y Josh West — continúan el trabajo de comprender este fascinante descubrimiento.

Entonces, ¿hay una temperatura máxima análoga al cero absoluto? Cuando un material está muy caliente, sus partículas tienen gran cantidad de energía térmica, dice Chan. Los sólidos se funden y los líquidos se vaporizan debido a que su energía térmica supera las fuerzas que unen los átomos o moléculas. A temperaturas incluso mayores, los átomos se disocian en electrones y plasma de iones, otro estado de la materia. Cuanto más energía se inyecta en un sistema, más sube su temperatura.

"En el sentido de que hay un límite a la energía total que existe en el universo, existe una temperatura máxima posible", dice Chan. Los cosmólogos proponen que alrededor de 10^-43 segundos, una inimaginablemente diminuta fracción de un instante tras el Big Bang (Si viajases a la galaxia más lejana desde la Tierra ,10^-43 representaría la primera mil millonésima de milímetro de tu viaje!), la temperatura del universo recién nacido era de 10³² K. Incluso el centro del Sol hoy, a 15 000 000° C, es una comparación helada.

Está claro que nunca podremos aprovechar toda la energía del Universo, por lo que la temperatura más alta posibles no puede alcanzarse. ¿Podremos experimentar alguna vez el otro extremo de la escala – el cero absoluto? "No, podemos acercarnos mucho, pero nunca el cero absoluto", dice Chan. "Algunos laboratorios, incluyendo el de David Weiss aquí en Penn State, pueden enfriar muestras de vapor a unos pocos nanokelvins, o mil millonésima de grado. Pero para conseguir el orden perfecto, tienes que deshacerte de todo el desorden o confusión. Conforme el sistema se acerca el cero absoluto, se hace más y más difícil eliminar el desorden".

Traducido para Astroseti.org por
Manuel Hermán

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Autor: Steve Miller
Fecha Original: 7 de junio de 2007
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