miércoles 10 de agosto de 2022

Materia en movimiento

El cero absoluto

Una nueva columna de opinión de Néstor Vidal.

domingo 26 de junio de 2022
El cero absoluto
Foto: ilustrativa.
Foto: ilustrativa.

Por Néstor Vidal*

El cero absoluto es el punto imaginario en el cual una sustancia está tan fría que el movimiento de sus átomos cesa. El cero absoluto propiamente dicho no ha llegado a alcanzarse jamás, ni en la naturaleza, ni en el laboratorio. Pero los científicos se han acercado mucho. Puede que llegar al cero absoluto sea imposible, e incluso aunque pudiéramos alcanzarlo quizá no lo sabríamos puesto que ningún termómetro es capaz de medirlo.

Cuando medimos la temperatura de algo estamos registrando la energía media de las partículas que lo componen. La temperatura nos indica lo rápido que vibran o se mueven las mismas. En un gas o un líquido, las moléculas son libres de viajar en cualquier dirección y a menudo chocan unas contra otras. Así que la temperatura está relacionada con la velocidad media de las partículas. En un sólido, los átomos están unidos formando una estructura de rejilla, como un Meccano que se mantiene unido por medio de enlaces electrónicos. Cuando se calienta, los átomos están llenos de energía y se mueven nerviosamente, como en una gelatina temblequeante, mientras continúan en sus posiciones.

Si se enfría el material, los átomos se mueven menos. En un gas, su velocidad disminuye; en un sólido las vibraciones se reducen. Si la temperatura sigue bajando, los átomos cada vez se mueven menos. Si se enfriara lo bastante, una sustancia podría llegar a estar tan fría que el movimiento de sus átomos cesaría por completo. Este hipotético punto de reposo se denomina CERO ABSOLUTO.

ESCALA KELVIN

La idea de un cero absoluto fue reconocida en el siglo XVIII al extrapolar un gráfico de temperatura y energía a cero. La energía aumenta de forma continua con la temperatura, y la línea que conecta ambas magnitudes puede proyectarse hacia atrás para calcular la temperatura a la cual la energía alcanza el cero: -273,15 grados Celsius o -459,67 grados Fahrenheit.

En el siglo XIX, Lord Kelvin propuso una nueva escala de temperatura que comenzaba en el cero absoluto. La escala Kelvin tomaba efectivamente la escala de la temperatura Celsius y la desplazaba. Así pues, el agua en lugar de congelarse a 0 grados Celsius lo hace a 273 kelvin y hierve a 373 kelvin (equivalente a 100 grados Celsius). Los valores superiores de esta escala son fijos, como lo es el punto triple del agua, la temperatura a la cual (a una presión determinada) el agua, el vapor y el hielo pueden coexistir, lo que sucede a 273,16 kelvin o a 0.01 Celsius a baja presión (menos del 1% de la presión atmosférica). Hoy en día, la mayoría de los científicos utilizan el kelvin para medir la temperatura.

EL GRAN FRÍO

¿Cómo sería el cero absoluto? Sabemos cómo es cuando la temperatura exterior alcanza temperaturas bajo cero o cuando empieza a nevar. El aliento se congela y los dedos se entumecen. Eso ya es bastante frío. En ciertas zonas de Norteamérica y Siberia se pueden alcanzar temperaturas de 10 a 20 grados bajo cero en invierno y en el Polo Sur se llega incluso a -70 grados Celsius. La temperatura natural más fría que se puede experimentar en la Tierra es de -89 grados Celsius o 184 kelvin, alcanzada en Vostok, en el corazón de la Antártida en 1983.

La temperatura también desciende si escalamos una montaña o volamos en un avión a gran altura por la atmósfera. Si salimos al espacio exterior, hace aún más frío. Incluso en las profundidades más lejanas y recónditas del espacio los átomos más fríos tienen temperaturas unos pocos grados por encima del cero absoluto. El entorno más frío que se ha encontrado hasta ahora en el universo está situado en el interior de la nebulosa Boomerang, una nube gaseosa oscura que se encuentra justo un grado por encima del cero absoluto.

Fuera de esta nebulosa y en todo el espacio vacío, la temperatura ambiente es relativamente suave, de 2,7 kelvin. Este tibio baño se debe a la radiación de fondo de microondas cósmicas, calor remanente del propio big bang, que perdura en el espacio. Para enfriarse aún más si cabe, las regiones tendrían que resguardarse de esta calidez de fondo y los átomos deberían haber perdido su calor residual. Por lo tanto, es prácticamente inconcebible que en algún punto del espacio se encuentre el cero absoluto.

«Como me gusta conservar mis polos a cero absoluto, utilizo el kelvin más que la mayoría de los americanos. Encuentro que los postres no son deliciosos a menos que no presenten ningún movimiento molecular de ésos.»

Chuck Klosterman, año 2004.-

EL FRÍO INTERIOR

Incluso las temperaturas más frías se han alcanzado de forma temporal en el laboratorio, donde los físicos han tratado de aproximarse al cero absoluto durante breves períodos de tiempo. Se han acercado mucho, mucho más que en el espacio exterior ambiente.

En los laboratorios se utilizan refrigerantes en forma de gas líquido, pero están por encima del cero absoluto. Es posible refrigerar el nitrógeno hasta que se vuelve líquido a 77 kelvin (-196 grados Celsius). El nitrógeno líquido es fácil de transportar en cilindros y se utiliza en los hospitales para conservar las muestras biológicas, incluyendo embriones congelados y esperma en las clínicas de fertilidad, además de utilizarse en electrónica avanzada. Cuando se enfría mediante la inmersión en nitrógeno líquido, la corola de un clavel se vuelve tan quebradiza que se rompe como la porcelana si se cae al suelo.

El helio líquido es aún más frío, sólo a 4 kelvin, pero todavía muy por encima del cero absoluto. Al mezclar dos tipos de helio, el helio-3 y el helio-4, es posible enfriar la mezcla unos pocos miles de kelvin.

Para alcanzar temperaturas aún más bajas, los físicos necesitan tecnología aún más inteligente. En el año 1994, en el American National Institute for Standards and Technology (NIST) en Boulder, Colorado, los científicos lograron enfriar átomos de cesio por medio de láseres a 700.000 millonésimas de kelvin del cero absoluto. Nueve años después, los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts fueron más allá, llegando a alcanzar las 500 millonésimas de kelvin.

Realmente, el cero absoluto es una idea abstracta. Jamás se ha alcanzado en un laboratorio, ni se ha medido en la naturaleza. Mientras tratan de aproximarse a él, los científicos tienen que aceptar que quizá no sea posible alcanzar con certeza el cero absoluto.

«Durante la primera mitad de su carrera, Thomson parecía incapaz de equivocarse mientras que durante la segunda mitad de su trayectoria parecía incapaz de acertar.»

  1. Watson, año 1969 (biógrafo de Lord Kelvin).

LORD KELVIN (1824-1907)

El físico británico Lord Kelvin, William Thomson, se ocupó de numerosos problemas de electricidad y calor, aunque su mayor fama procede de ayudar a construir el primer cable submarino transatlántico para la transmisión del telégrafo. Thomson publicó más de 600 artículos y fue elegido presidente de la prestigiosa Royal Society de Londres. Era un físico conservador y rehusó aceptar la existencia de los átomos, se opuso a las teorías evolucionistas de Darwin y a otras teorías relacionadas sobre la edad de la Tierra y del Sol, lo que le situó en el bando de los perdedores en numerosas discusiones. Thomson fue nombrado barón Kelvin de Largs, por el río Kelvin que pasa por la Universidad de Glasgow y por su ciudad natal de Largs en la costa escocesa. En 1900, Lord dio una famosa conferencia ante la Royal Institution of Great Britain, donde lamentó el hecho de que «la belleza y la claridad de la teoría» estuvieran ensombrecidas por «dos nubes», a saber, la por entonces errónea teoría de la radiación de los cuerpos negros y el intento fallido de observar el «éter» o medio gaseoso por el cual se suponía que viajaba la luz. Los dos problemas que señaló serían resueltos más tarde por la relatividad y la teoría cuántica, pero Thomson luchó por resolverlos con ayuda de la física newtoniana de su tiempo.

¿Y ESTO POR QUÉ?

En primer lugar, ningún termómetro que no estuviera ya en el cero absoluto podría transmitir calor y arruinar así el éxito de su logro. En segundo lugar, es difícil medir la temperatura a energías tan bajas, donde intervienen otros efectos como la superconductividad y la mecánica cuántica, afectando al movimiento y a los estados de los átomos. Por lo tanto, nunca podremos tener la seguridad de haber llegado hasta él. El cero absoluto puede ser un buen ejemplo del «lugar que no existe».

EN SINTESIS: EL GRAN FRIO. -

 

*ANALISTA DEL CENTRO DE INVESTIGACIÓN FORENSE, CIENCIA Y NUEVAS TECNOLOGÍAS

 

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