¿Qué ocurre al alcanzar el cero absoluto de temperatura?

Francisco José Torcal Milla, Universidad de Zaragoza

Un grupo de investigadores de la Universidad de Kioto, en Japón, y la Universidad de Rice, en Estados Unidos, ha logrado obtener en laboratorio la temperatura más baja jamás conseguida, 3 mil millones de veces más fría que el espacio profundo, que todavía se calienta con el resplandor del big bang, que se encuentra a 4,2 kelvin. Para lograrlo, han enfriado un gas de Fermi de núcleos de Yterbio, que se comporta como una materia SU(6), donde donde SU significa grupo unitario especial, una forma matemática de describir la simetría, y N=6 denota los posibles estados de espín de las partículas en el modelo, usando enfriamiento por láser.

Este hito abre las puertas a desarrollar nuevos materiales con propiedades inimaginables y a observar sistemas físicos que no pueden explicarse con las leyes de la termodinámica. Hay que recurrir a la mecánica cuántica para acercarnos a entenderlos. Se trata de la temperatura más baja jamás alcanzada en todo el universo a no ser que una civilización extraterrestre se encuentre realizando estos mismos experimentos en algún lugar del cosmos y nos lleven algo de ventaja, pero, ¿qué le ocurre a la materia a temperaturas tan bajas? Lo que sabemos es que la actividad de los átomos se detendrá absolutamente y ocurrirán cosas extrañísimas.

Como ejemplo, a temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio se vuelve superfluido, un estado caracterizado por la ausencia total de viscosidad. Esto hace que pueda atravesar paredes y cualquier tipo de material, poroso o no, y trepar por las paredes de los recipientes que lo contienen. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los elementos, no se congela.

Dime cómo te mueves y te diré a qué temperatura estás

La temperatura es una medida macroscópica del grado de agitación atómica y/o molecular que tiene la materia. A mayor agitación, mayor temperatura. En el caso de un gas de un sólo átomo, como el helio por ejemplo, la agitación se reduce al movimiento browniano. En gases biatómicos, como el oxígeno, hay que añadir al estado de agitación las vibraciones u oscilaciones internas, y así sucesivamente.

La primera persona en establecer una escala de temperaturas de una forma objetiva fue el astrónomo y físico sueco Anders Celsius en 1742. Celsius creó la escala que lleva su nombre (escala Celsius de temperatura), que divide el intervalo de temperaturas entre los puntos de fusión y ebullición del agua a presión atmosférica en 100 divisiones o grados.

En España, hasta 1948, a esta escala se le denominaba escala centígrada y, aunque muchos de nosotros seguimos haciendo uso de ella, ya no es estrictamente correcto hacerlo. Un siglo después de la aparición de la escala Celsius, Lord Kelvin propuso la escala absoluta de temperaturas, cuyo cero es, efectivamente, el cero absoluto, correspondiente a -273,15℃. Esta escala tiene mayor fundamento físico ya que a cero kelvin la materia deja de agitarse.

La temperatura a la que la vida es posible

La temperatura promedio terrestre es de unos 14℃, la temperatura más baja registrada es de -89,2℃ en la Antártida y la más alta de 54,4℃ en el Valle de la Muerte, California.

Realmente, si posicionamos los rangos de temperatura en los que es posible la vida tal y como la conocemos dentro de la escala absoluta de temperaturas, nos daremos cuenta de que estamos más cerca del cero absoluto que de las temperaturas más elevadas del universo. Como ejemplo, la superficie de nuestra estrella, el Sol, se encuentra a aproximadamente 5 600℃. No así su centro, cuya temperatura se estima en 15 millones de grados kelvin.

¡Todos quietos! El cero kelvin está cerca

A elevadísimas temperaturas, todo tipo de materia se convierte en gas y adquiere velocidades de agitación muy altas. Por el contrario, a temperaturas cercanas al cero absoluto la materia se comporta de una manera muy especial. Estrictamente, a cero kelvin, todo movimiento se detiene, hasta los electrones que orbitan alrededor del núcleo de los átomos.

Uno de estos comportamientos tan especiales, que se da en un tipo de materia (la formada por bosones tales como núcleos atómicos de espín entero o partículas encargadas de transmitir alguna de las cuatro fuerzas fundamentales: fotones, gluones, etc.), fue vaticinado hace más de un siglo por Albert Einstein y el experto en física matemática Satyendra Nathan Bose.

Cuando un conjunto de bosones alcanza este estado, todos ellos caen al nivel más bajo de energía posible. A este estado de la materia se le denomina condensado de Bose-Einstein, en homenaje a los dos físicos que lo pronosticaron.

Si en lugar de materia bosónica, se trata de materia fermiónica, como núcleos de espín semientero, protones, electrones, etc., el estado de la materia que se alcanza cerca del cero absoluto se denomina líquido de Fermi, similar a un gas de Fermi.

En algunos casos de temperatura baja extrema, un líquido de Fermi puede comportarse como un superfluido, es decir, un fluido con viscosidad estrictamente nula, que es capaz de ascender por una pared vertical como le ocurre al helio.

Durante el s. XIX la ciencia vivió una trepidante carrera por lograr el cero absoluto. Y la búsqueda continúa. Pero ahora, con las técnicas de enfriamiento por láser, estamos realmente cerca.

Francisco José Torcal Milla, Profesor Titular. Departamento de Física Aplicada. Centro: EINA. Instituto: I3A, Universidad de Zaragoza

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.