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El universo está lleno de extremos. Lo más rápido, lo más antiguo, lo más distante: hay infinidad de cosas que explorar y admirar, maravillarse ante las creaciones de la naturaleza. Pero ¿qué hay de los lugares más fríos? Probablemente hayas oído hablar del cero absoluto, pero ¿sabes qué ocurre al alcanzarlo? ¿O por qué nada puede enfriarse más?
El concepto básico de cero absoluto se descubrió ya en 1702. El inventor francés Guillaume Amontons teorizó sobre la existencia de una temperatura mínima posible tras darse cuenta de que la presión atmosférica y la temperatura están interrelacionadas. Sus experimentos lo llevaron a la conclusión de que debe existir un punto más allá del cual la presión no puede descender y, por lo tanto, la temperatura tampoco.
Amontons propuso una temperatura mínima posible de -240 °C. Teniendo en cuenta que no comprendía el movimiento atómico y que su propuesta data de principios del siglo XVIII, resulta bastante impresionante lo cerca que estuvo de la verdad.
No fue hasta 1848 que el físico William Thomson, más conocido como Lord Kelvin, definió la escala con la precisión suficiente y creó su escala Kelvin, que lleva su nombre. Una de sus motivaciones fue crear una escala de temperatura absoluta que tuviera sentido y eliminara la necesidad de números negativos. Partiendo de cero, solo se puede avanzar hacia arriba.
Por supuesto, para la mayoría de nosotros en la vida cotidiana, la escala Kelvin parece poco práctica y engorrosa. La escala Celsius, después de todo, es mucho más lógica, ya que se basa en los puntos de ebullición y congelación del agua, que son comprensibles para la gente común.
Por suerte, los científicos experimentan constantemente con temperaturas extremas por simple diversión, así que se están realizando muchas investigaciones sobre este tema. Prepárate una bebida caliente y averigüémoslo.
Física del cero absoluto
Debido a la peculiar historia de la humanidad en cuanto a unidades de medida como pies, cuerdas, acres y similares, se tardó un tiempo en desarrollar un sistema coherente y lógico. Las escalas Celsius y Fahrenheit fueron populares, pero es la escala Kelvin la que se toma las cosas en serio. El cero absoluto significa 0 Kelvin, la temperatura más baja posible. Esto corresponde a -273 °C o -459,67 °F.
El frío es una propiedad relativa de cualquier sustancia, relacionada con el movimiento de sus átomos. Por eso tiene un límite y por eso se puede alcanzar la temperatura más baja posible: el cero absoluto. Este es el punto en el que los átomos de una sustancia dejan de moverse por completo o se acercan lo máximo posible a él, y el sistema termodinámico alcanza su energía mínima.
Esto no significa necesariamente que los átomos se hayan detenido por completo en el cero absoluto, sino simplemente que la energía atómica no se puede transferir en absoluto. No se libera ni la más mínima cantidad de calor, ni siquiera la más insignificante, apenas medible. Dado que el calor se libera por el movimiento de los átomos, y estos átomos transfieren esta energía a otros átomos con los que entran en contacto, no hay transferencia de calor en el cero absoluto.
Para la mayoría de nosotros, el cero absoluto no es más que una nimiedad. Jamás lo descubriremos en la vida real, y si lo hiciéramos, no tendríamos mucho tiempo para apreciarlo, porque nos mataría muy rápidamente.
En condiciones de laboratorio donde prácticamente se alcanza el cero absoluto, los científicos han observado cambios notables en la física. Por ejemplo, a temperaturas extremadamente bajas, algunas sustancias fluyen hacia arriba en lugar de hacia abajo, desafiando la gravedad. Las reacciones químicas también se ven obligadas a obedecer las leyes del frío.
En el cero absoluto, teóricamente cualquier reacción química debería detenerse instantáneamente. A medida que se acerca al cero absoluto, los científicos pueden ralentizar significativamente reacciones que normalmente ocurren en fracciones de segundo, lo que les permite observar e incluso manipular el proceso de reacción.
La ciencia de las temperaturas ultrafrías nos permite observar fenómenos como la mecánica cuántica, que serían inaccesibles a temperaturas normales. Precisamente por eso, este campo resulta tan fascinante para los científicos: les permite estudiar y observar algunos de los mecanismos fundamentales que subyacen a la existencia de partículas y reacciones en el Universo, pero de una forma visible para nosotros.
El lugar más frío del universo
Todo el mundo sabe que las profundidades del espacio son increíblemente frías, pero en lo que respecta al cero absoluto, simplemente hace calor. En los confines más oscuros del espacio, la temperatura alcanza los 2,7 Kelvin. Por supuesto, esto mataría a cualquier ser vivo, ya que equivale a -270,45 °C o -453,8 °F, pero aún está muy lejos del cero absoluto.
Por supuesto, las temperaturas en el espacio no son uniformes. Estrellas como nuestro Sol calientan el aire a medida que se acercan, así que para alcanzar bajas temperaturas, hay que encontrar un lugar en la inmensidad del espacio.
A 5000 años luz de la Tierra se encuentra la llamada Nebulosa Boomerang. Compuesta de polvo y gases ionizantes, es quizás el lugar natural más frío que jamás encontrarás. En el centro de la nebulosa, una gigante roja está muriendo y, al desprenderse de todo su material estelar a una velocidad astronómicamente alta, aproximadamente 250 veces mayor que la de un avión de combate F-16, también está perdiendo calor rápidamente.
Se ha medido que la temperatura de la nebulosa es aproximadamente un grado Celsius por encima del cero absoluto. A modo de comparación, la temperatura más baja registrada en la Tierra fue de -89,2 °C (-128,6 °F) en 1983. Eso equivale a unos abrasadores 183,95 Kelvin. Esta temperatura se registró en la estación Vostok en la Antártida. Esto significa que la temperatura en la nebulosa es aproximadamente tres veces más fría que la que se haya registrado jamás en la Tierra, lo cual suena mucho menos desalentador de lo que realmente es.
¿Es posible crear el cero absoluto en un laboratorio?
Una de las cosas interesantes del cero absoluto es que los científicos han logrado acercarse bastante a él en condiciones de laboratorio. Algunos conceptos científicos deben permanecer en un plano teórico. Nadie ha logrado aún crear un agujero negro ni idear los viajes en el tiempo. Pero si buscamos el cero absoluto, lo mejor que hemos conseguido hasta ahora son 38 picokelvin, lo que equivale a 38 billonésimas de grado por encima del cero absoluto. Esto se logró dejando caer gas rubidio magnetizado desde una torre en un laboratorio alemán; este es precisamente el método que se utiliza actualmente para producir sustancias extremadamente frías.
Aunque 38 partes por billón suena increíblemente cercano, probablemente nunca nos acerquemos mucho más a ese valor. Generalmente se acepta que el cero absoluto es inalcanzable debido a las fluctuaciones cuánticas. La termodinámica también nos impide alcanzar la temperatura más baja absoluta, y hablaremos de esto más adelante.
En cuanto a la humanidad, otro obstáculo es la imperfección de la tecnología. En algún punto, aparentemente más allá de las 38 billonésimas de grado, simplemente no podemos medir con la precisión suficiente para afirmar con seguridad que hemos alcanzado el cero absoluto perfecto. El cero absoluto y su fracción más pequeña serían indistinguibles de las lecturas de nuestros instrumentos.
El problema con los instrumentos de medición es tan grave que se ha sugerido que, incluso si pudiéramos alcanzar el cero absoluto, tal vez ni siquiera lo notaríamos debido a la posible imprecisión. Esto requeriría un termómetro capaz de medir la temperatura con precisión infinita, y obviamente tal dispositivo no existe, por lo que nunca podremos obtener las mediciones precisas que necesitamos.
Afortunadamente, muchos científicos que trabajan en este campo de investigación no buscan alcanzar el cero absoluto. Las temperaturas cercanas al cero absoluto son las de mayor interés, ya que permiten movimientos atómicos muy leves. Aún se pueden observar reacciones, mientras que en el cero absoluto prácticamente no habría nada que observar. Esto equivale físicamente a acumular una gran cantidad de materia sin ningún efecto.
Si bien el concepto de cero absoluto es magnífico, sigue siendo teórico, y algunos aún debaten si se puede alcanzar técnicamente. Sin embargo, la ciencia no siempre coincide con esta afirmación.
¿Por qué es esto imposible?
Neil deGrasse Tyson ofreció varias explicaciones de por qué alcanzar el cero absoluto es, en realidad, imposible. Su primer argumento se basa en el principio de transferencia de calor y utilizó el ejemplo de un refrigerador. Si se colocan alimentos a temperatura ambiente en el refrigerador, el aire frío en su interior les extrae calor. Al fin y al cabo, el calor existe, y el frío es simplemente su ausencia. Al extraer esta energía térmica de algo, este se enfría; no es necesario añadirle nada.
Así, el aire frío del refrigerador extrae el calor de los alimentos calientes hasta que se alcanza la temperatura general del refrigerador, el congelador o cualquier otro lugar donde se esté perdiendo calor. Pero en la escala Kelvin, existe un problema con el cero absoluto. Para eliminar la última gota de calor de cualquier cosa y alcanzar el cero absoluto, se necesita algo más frío que el cero absoluto (esto comienza alrededor del minuto 8:20 del video). Se necesita algo más frío que eso para poder eliminar esa cantidad final, casi inconmensurable, de calor. Pero, ¿cómo podría existir algo así?
Tyson continúa explicando el segundo problema. Según la física cuántica, nunca es posible saber con exactitud dónde se encuentran los átomos de una partícula. Deben existir fluctuaciones cuánticas constantes que permitan a estos átomos vibrar, aunque sea levemente. Debe haber un límite cuántico de cero absoluto que impida que los átomos se detengan por completo, porque si lo hicieran, la ubicación de cualquier átomo podría determinarse con precisión, y eso simplemente no es compatible con la física.
En 1912, se formuló una hipótesis teórica sobre la imposibilidad de alcanzar el cero absoluto en un tiempo finito. Este principio se conoce como el principio de inalcanzabilidad y se deriva de la primera tesis de Tyson sobre cómo reducir la tensión térmica en la última fracción de grado necesaria para alcanzar el cero absoluto.
Los experimentos han demostrado que enfriar algo hasta el cero absoluto requiere un trabajo infinito o un depósito de enfriamiento infinitamente grande. A medida que algo se aproxima al cero absoluto, su entropía también tiende a cero, y según la física, es imposible preparar un sistema para un estado de entropía cero en un número finito de pasos.
Un experimento reveló que el cero absoluto es teóricamente alcanzable, pero requiere tres componentes: tiempo, complejidad y energía. El problema que este experimento puso de manifiesto es que alcanzar el cero absoluto requiere una cantidad infinita de uno de estos componentes. Mientras esto sea posible, el objetivo puede lograrse. Como se puede intuir, esto equivale a decir que es imposible.
¿Qué ocurriría en teoría?
Se sabe que a temperaturas ultrabajas, cercanas al cero absoluto, se forma un condensado de Bose-Einstein (CBE). El CBE se considera un estado alternativo de la materia, pero solo existe a esas temperaturas ultrabajas. Se forma cuando un gas se sobreenfría, lo que provoca que los átomos o partículas subatómicas se fusionen en una entidad cuántica. Esto suena a ciencia ficción, pero esencialmente significa que los átomos actúan como una única función de onda, como si se hubieran fusionado en un único superátomo.
Einstein, utilizando las fórmulas de Bose, predijo que esto ocurriría muchas décadas antes de que se demostrara en la práctica, pero obedece a las leyes de la mecánica cuántica. Sin embargo, esto solo puede ocurrir a bajas temperaturas, ya que los átomos individuales deben tener energías tan bajas que comiencen a moverse juntos.
Si pudiéramos trascender este estado de condensado de Bose-Einstein y alcanzar el verdadero cero absoluto, la materia perdería toda su energía cinética. Si no existiera energía cinética y los átomos estuvieran congelados, lo que observamos ya no podría considerarse materia. Actualmente, la física, tal como la entendemos, no permite que la materia simplemente deje de serlo.
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