Calor y temperatura es uno de los conceptos de cajón en física en la educación básica y es que ambos términos suelen confundirse a menudo. En el lenguaje coloquial decimos, está muy caliente a algo que tiene alta temperatura, y decimos que está frío cuando su temperatura es baja. Pero al agregar el término frío la gente puede confundirse un poco más, así que vamos definiendo de una vez por todas.
El calor es la energía calorífica que se transfiere de un cuerpo a otro, puede transferirse por conducción, convección y radiación. El frío por su parte es la ausencia de calor. Así, la temperatura, podría decirse que es -para fines prácticos- la magnitud de dicha cantidad de energía calorífica. Para medirla usamos °C y la unidad absoluta Kelvin (K) en la cual, cero Kelvin (0 K = -273.15°C) es el cero absoluto, es decir, nada de temperatura. La temperatura la hemos asociado al calor por nuestra percepción corporal; algo con mayor temperatura que nuestro cuerpo es caliente, y algo con menor es frío.
Al hablar con las personas no es necesario decir nuestro punto de referencia ya que hemos definido inconscientemente que nuestra temperatura corporal lo es (36-37°C). En ciencia está prohibido decir caliente o frío ya que son muy subjetivos y es necesario decir respecto a que es caliente o frío. Por eso se usa la temperatura. Sin embargo, la temperatura conceptualmente está conectado con el desorden de un sistema. Generalmente, si tenemos mucho orden en un sistema, correspondería a una baja temperatura. El orden perfecto daría lugar al cero absoluto y el máximo desorden a una temperatura infinita. Un ejemplo es el hielo, sus moléculas están quietas, formando copos hermosos y patrones ordenados y fríos (baja temperatura). Por su parte el vapor de agua tiene alta temperatura y es desordenado, sus moléculas chocan caóticamente y son libres por donde vayan. Tomando estos ejemplos, ¿es posible tener algo infinitamente caliente? Esta es una pregunta termodinámica y cuántica que quizá la mayoría nos la hemos planteado alguna vez en la vida y pareciera hecha por un niño pero es científicamente seria.
Al aumentar la temperatura de algo, sus moléculas comienzan a vibrar y/o a chocar tanto que, dependiendo de sus propiedades químicas y su estado de segregación, desprenderán luz por el salto de los electrones de un orbital a otro, cambiará su estado a líquido, luego a gas y a plasma donde los electrones son “libres” del núcleo. Si continuamos agregando energía podríamos llegar a un punto en el cual las moléculas chocarían tan violentamente que habría cambios nucleares los cuales desprenderían más energía y más luz como en una estrella. Por ejemplo un café está a 82°C, la lava está a 1100°C, la superficie solar está a 5500°C y su núcleo está a 16 millones °C.
No sólo radiación calorífica es expulsada, también radiación electromagnética. Por lo tanto, aumentar la temperatura nos lleva inevitablemente al brillo de las cosas. ¿Existe un brillo infinito? Es lógico que en la Tierra no podremos obtener algo así, pero en el espacio exterior hay maravillas. La “magnitud absoluta”, es la escala del brillo de un cuerpo celeste a 32.6 años luz de distancia y entre más negativo sea su valor será más brillante. Hasta ahora la estrella más brillante que se ha encontrado se llama R136a1, no es la más grande pero si la más brillante.
En la escala de magnitud absoluta el Sol tiene 4.8 y R136a1 tiene -12.6, es decir, es 8.7 millones de veces más brillante que nuestro sol. Pero esta estrella no es el objeto más brillante, recordemos que cuando las estrellas mueren explotan se vuelven supernovas o hipernovas y pueden ser aún más brillantes que la misma estrella. Al morir una estrella libera en segundos tanta energía como nuestro sol en toda su vida. Es decir, la temperatura es increíblemente alta pero dura solo un momento. Irónicamente, un agujero negro es más brillante por más tiempo. Cuando se forma y traga la luz de una estrella cercana, crea el “disco de acrecimiento”. Este monstruo arremolina todo el gas alrededor de él, acelerando todas estas partículas friccionándolas unas con otras de tal forma que crea demasiada luz: un cuásar. Su brillo es tan grande que es miles de veces mayor que el de galaxias enteras.
El cuásar 3C273, a 2200 millones de años luz, tiene un brillo de -26.7, es decir, 100 veces más que la vía láctea. Brilla tanto que a 33 años luz de distancia, brillaría igual que nuestro sol. Un cuásar suelta una estela de luz en el centro del disco de acrecimiento, el cual es llamado jet. Si este jet apunta a la Tierra, al cuásar se le llama blazar, siendo el 3C454.3 el más brillante con una magnitud absoluta de -31.4.
Para poder darnos una idea de lo enormes que pueden ser las temperaturas de los cuerpos celestes, traten de concebir 3 mil millones de K en el núcleo de una estrella a punto de explotar. Como mencioné anteriormente, los cuerpos desprenden radiación electromagnética de tal forma que es posible saber su temperatura dependiendo la luz que emitan. Al seguir aumentando la temperatura, comenzamos a emitir radiación de longitudes de onda menores las cuales pueden ser calculadas aquí.
Ahora bien vamos a aumentar todavía más la temperatura: a 1x10^12 K (Temperatura de Hagedorn), los electrones solo viajan por ahí, pero los protones y neutrones se “derriten” en cuarks y en gluones. En el acelerador de hadrones CERN, ubicado entre Francia y Suiza, en los experimentos de hacer chocar protones con núcleos, se han alcanzado, en cuestión de microsegundos, temperaturas de 1x10^18 K. ¿es la máxima? No. A la temperatura de Planck, 141x10^30 K, la radiación emitida por dicho objeto tendría una longitud de onda tan pequeña que lleva el nombre de “longitud de Planck”, la cual es 1.6161x10^-35 m. Esta es la distancia más pequeña que puede haber en nuestro universo.
Pero, esto nos lleva a una paradoja: si aumentamos más la temperatura, debería de disminuir más la longitud de onda, pero no puede porque la longitud de Planck es la mínima posible. Así que simplemente nuestras teorías no funcionan y no es que no se pueda aumentar más la temperatura, de hecho se puede, el problema es que todavía no sabemos que es lo que ocurre. Para superar ese problema se ha planteado que podría formarse un “agujero negro de energía” ya que sería mucha energía en un solo lugar. A esto se le llama kugelblitz, es decir, algo tan caliente que ni siquiera la ciencia lo puede entender. Es posible que haya un límite en el cual debido a la diferencia de energías no es posible seguir agregando a un sistema ya que necesitaríamos una fuente infinita para hacerlo.
El horizonte energético es un misterio, los físicos han tratado de ir entendiendo como la termodinámica podría dejar pasar esto y como podría acomodarse con la relatividad. ¿Qué pasa al tener energía infinita? Quizá debamos enfocarnos en el otro lado de la moneda que es el cero absoluto, es decir nada de energía. Alcanzarlo ha sido la ambición de muchos científicos y se han acercado cada vez más a ese límite. No olviden escribir sus dudas en la sección de comentarios y aportar ideas a este gran concepto de la temperatura infinita.
Como siempre, gracias por leerme.