• Prof. Cerebrón

El cero absoluto: el límite de temperatura

El frío siempre llamó la atención de muchos científicos y se mantuvo en un misterio durante siglos. Es impresionante como algo que era considerado peligroso, fue conquistándose a tal grado de ser útil para la vida cotidiana como en un refrigerador. Pero la escala de temperatura fue bajando cada vez más hasta llegar a la suposición de que existe un límite en el cual no hay temperatura. El frío se ha definido como la ausencia de calor, básicamente no existe, pero es usado este término para decir que algo está por debajo de nuestra temperatura corporal. También se sabe que eso tiene que ver con el orden de un sistema, entre más ordenado esté, será más baja su temperatura. Nada de movimiento ni nada de calor a 0 K. En la naturaleza no se alcanza está temperatura, queda arriba de este límite en el espacio exterior siendo de 3 K.


El concepto de cero absoluto se concibió por primera vez al observar que al disminuir la temperatura de un gas, su presión también disminuye, lo que llevó a preguntarse qué tan bajo se puede llegar. En el siglo XVIII, Guillaume Amontons fue el primero en proponer este concepto al extrapolar sus experimentos al cero tanto de presión como de temperatura. En ese tiempo no se sabía cuál era el límite, que actualmente se ha fijado en -273.15°C, pero esta idea no sólo aplicó para llegar a un límite inferior sino que también dio el concepto de temperatura sin límites. Para alcanzar temperaturas cada vez más bajas se fueron ingeniando mecanismos y descubriendo fenómenos. Michael Faraday fue el primero en refrigerar cloro y amoniaco, pero obviamente solo a un nivel fundamental. Posteriormente Sadi Carnot postuló su ciclo que es el que se usa hoy en día en los refrigeradores. Un gas refrigerante se evapora al absorber el calor de los alimentos, pasa por un compresor y se desecha el calor absorbido por la parte de atrás, así vuelve a ser un líquido frío que es bombeado hacia los alimentos nuevamente. Este fue un logro en la conquista del frío y de la termodinámica, posteriormente James Joule completó las ideas termodinámicas propuestas por Carnot. Finalmente, Thompson (Lord Kelvin) fue el encargado de unificarlas y de postular las leyes de la termodinámica. Pero la pregunta de qué pasaría al llegar al cero absoluto seguía en pie. Imaginen un cuerpo que no emita nada de energía calorífica; saber que le pasaría a la materia en tales extremos obsesionó a los científicos.


Lord Kelvin

Gracias a las teorías cuánticas y termodinámicas desarrolladas a finales del siglo XIX y a principios del XX, se descubrió que este concepto es más complejo que el planteado por Amontons. Los primeros en tratar de alcanzar físicamente este límite, fueron Van der Waals y Dewar, los cuales con un sistema de refrigeración de gases, paso a paso llegaron a -252°C, el punto de ebullición del hidrógeno, es decir obtuvieron hidrógeno líquido. Posteriormente Heike Kamerlingh Onnes, pudo condensar helio, llevándolo a -268°C, solo 5°C arriba del cero absoluto. Llegar a esta temperatura abrió el campo a nuevos experimentos y por lo tanto a nuevos descubrimientos y es aquí donde la cosa se pone confusa. Se descubrieron propiedades interesantes a esos límites de temperatura. La superconductividad, descubierta en 1911 y es la capacidad de conducir la corriente eléctrica sin resistencia alguna. Con esta nueva propiedad descubierta, se ha podido hacer levitar objetos induciendo campos magnéticos a bajas temperaturas como lo pueden ver en este video. Sin embargo aún no se ha explicado totalmente que es lo que ocurre en la superconductividad y muchas teorías están en disputa y aun así ya se le han asignado aplicaciones tecnológicas.

Otro fenómeno que se ve en el helio líquido es que se comporta como un súper fluido, es decir, un líquido sin viscosidad, sin resistencia a la fricción y sin tensión superficial. Cada átomo de helio líquido se comporta igual, en todos lados está la misma temperatura y todos se mueven exactamente igual. Lo que nos lleva a la naturaleza cuántica de las cosas y al estado de la materia llamado condensado Bose-Einstein. Este estado de la materia ha explicado parcialmente la razón de la superconductividad y la súper fluidez.


Es un concepto un poco complicado, pero de forma práctica, a bajas temperaturas, los átomos están tan ordenados, pero al ir bajando cada vez más la temperatura comienzan a desarrollar propiedades de ondas se le llama “crisis de identidad”. Se fusionan en una sola partícula y forman “súper átomos”, o sea todos los electrones de esos átomos que conforman el condensado se mueven a la misma velocidad, todos vibran igual y todos se mueven igual; ya no son partículas separadas. Sus estados cuánticos están tan unidos que todos “creen” son la misma cosa. Es complejo imaginar estas cosas porque un átomo está en todos lados al mismo tiempo, aparentemente. Es como si todas las personas fueran una misma, con las mismas necesidades, pensamientos, movimientos y comportamientos. La primera vez que se logró obtener uno fue en 1995 por Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle a una temperatura de 0.00000005 K (50 nK). Este estado de la materia y su aplicación ha ayudado a poder ralentizar tanto la luz que prácticamente se comporta como un sólido. Así mismo, alcanzar temperaturas tan bajas ha ayudado a desarrollar súper computadoras en donde el lenguaje de código binario está fusionado, o sea que puede ser 0 y 1 al mismo tiempo de tal forma que la información se procesa más rápido.



La temperatura más baja registrada ha sido de 100 pK (0.0000000001 K), alcanzada por el equipo de investigación del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad de Aalto en Finlandia, muy cerca del cero absoluto, pero aún no lo es. Bajar cada vez más la temperatura es una tarea extremadamente difícil. En teoría, la razón por la cual quizá no se llegue nunca es debido a la segunda y tercera ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica establece que siempre el calor se transferirá de un cuerpo de alta temperatura a uno con baja temperatura debido a que la entropía (desorden de un sistema) siempre va en aumento. En consecuencia, la tercera ley postula que el cero absoluto sería inalcanzable ya que para lograr que no hubiera desorden en un sistema se necesitaría una máquina con infinita cantidad de pasos que despojen de todo el calor a un objeto. De hecho a temperaturas cercanas al cero absoluto la materia no se queda quieta ya que a pesar que su movimiento es casi nulo, aun así vibra, a esto se le llama Energía de Fermi. Por lo tanto, hasta ahora es prácticamente imposible quitar esa minúscula cantidad de energía que queda porque los electrones siguen moviéndose. Aún no sabemos si es imposible de alcanzar o no. Las maravillas y la profundidad cuántica que el concepto del cero absoluto nos ha arrastrado es solo una muestra de lo enigmática que sigue siendo la naturaleza. El cero absoluto podría ser inalcanzable pero el camino para llegar a él ha ayudado al descubrimiento de propiedades y secretos fundamentales de la materia. El ser humano evolucionó con la conquista del calor, pero es muy probable que nuestro desarrollo tecnológico y científico sea por la conquista del frío.


Como siempre, gracias por leerme.


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