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Lunes, 4 marzo 2013
Física

¿Una nueva física por "debajo" del Cero Absoluto?

Lo que es normal en invierno para muchas personas, hasta ahora ha sido imposible en la física: Una temperatura por debajo de cero. Para mucha gente, las temperaturas bajo cero en la escala Celsius (grados centígrados) sólo son sorprendentes en verano. En la escala absoluta de temperatura, llamada también escala Kelvin y usada por los físicos, no es posible descender por debajo de cero, al menos no en el sentido de que algo esté más frío que cero grados kelvin.

Según el significado físico de temperatura, la temperatura de un gas está determinada por el movimiento caótico de sus partículas. Cuanto más frío esté el gas, más lentamente se mueven sus partículas. A cero grados Kelvin (273 grados centígrados bajo cero), las partículas dejan de moverse y desaparece todo ese desorden. Por tanto, nada puede estar más frío que cero grados en la escala Kelvin.

Sin embargo, unos físicos en la Universidad Ludwig-Maximilian de Múnich, y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, ambas instituciones en Alemania, han creado ahora en el laboratorio un gas atómico que llega a alcanzar valores negativos en la escala Kelvin, siguiendo las definiciones convencionales adoptadas. Estas temperaturas absolutas negativas tienen varias implicaciones aparentemente absurdas: Aunque los átomos en el gas se atraen entre sí y producen una presión negativa, el gas no se colapsa, una conducta también postulada en la cosmología para el efecto principal de la energía oscura.

Con la ayuda de temperaturas absolutas negativas, se podría, hipotéticamente hablando, crear motores térmicos capaces de proezas imposibles en el mundo físico conocido, como por ejemplo un motor de combustión con una eficiencia termodinámica superior al 100 por cien.

Para convertir al agua en vapor, hay que suministrar energía. A medida que el agua se calienta, las moléculas de agua incrementan su energía cinética y en promedio se mueven cada vez más rápido. Sin embargo, las moléculas individuales poseen energías cinéticas distintas, desde muy lentas hasta muy rápidas. Los estados de baja energía son más comunes que los de alta energía, es decir, sólo unas pocas partículas se mueven con mucha rapidez. En física, esta distribución se conoce como Distribución de Boltzmann. El equipo de físicos de Ulrich Schneider e Immanuel Bloch ha dado ahora con un gas en el que esta distribución está invertida: muchas partículas poseen energías altas, y sólo unas pocas tienen energías bajas. Esta inversión de la distribución de energía implica que las partículas han asumido, al menos en ese aspecto, una temperatura absoluta negativa.

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La Distribución de Boltzmann invertida es el sello distintivo de la temperatura absoluta negativa, y esto es lo que Schneider y Bloch han logrado. Sin embargo, el gas no está más frío que cero grados Kelvin, sino más caliente, otra aparente paradoja.

Como mejor se puede ilustrar el significado de una temperatura absoluta negativa es con esferas que ruedan en un paisaje en el que los valles representan una energía potencial baja, y las colinas una energía potencial alta. Cuanto más rápido se muevan las esferas, mayor es su energía cinética: Si se parte de temperaturas positivas y se aumenta la energía total de las esferas calentándolas, esas esferas se moverán cada vez más hacia regiones de alta energía. Si fuera posible calentar las esferas hasta una temperatura infinita, las probabilidades de que estuvieran en algún punto del paisaje serían la mismas para cualquier punto, independientemente de la energía potencial. Si en esa situación se pudiera añadir aún más energía y por tanto calentar aún más las esferas, éstas se reunirían preferentemente en estados de alta energía, y estarían aún más calientes que una temperatura infinita. La distribución de Boltzmann se invertiría, y la temperatura sería por tanto negativa. A primera vista, puede parecer extraño que una temperatura absoluta negativa sea más caliente que una positiva. Sin embargo, esto es simplemente una consecuencia de la definición histórica de Temperatura Absoluta; si estuviera definida de manera diferente, esta contradicción aparente no existiría.

Esta inversión de la población de estados de energía no es posible en el agua o en cualquier otro sistema natural, ya que el sistema tendría que absorber una cantidad infinita de energía, algo imposible. Sin embargo, si existiera un límite superior para la energía de las partículas, como sería el caso de la cima de la colina en el símil del paisaje de energías potenciales, la situación sería completamente diferente. El equipo de Bloch y Schneider parece que ha dado ahora con un sistema de gas atómico de ese tipo, caracterizado por un límite superior de energía. Este aparente logro es fruto de su trabajo en el laboratorio, siguiendo las propuestas teóricas de Allard Mosk y Achim Rosch.

Hipotéticamente, la existencia de materia a temperaturas absolutas negativas tiene toda una serie de implicaciones sorprendentes, de entre las que destaca la ya citada de un motor de combustión con una eficiencia superior al 100 por cien. Sin embargo, esto no significa que se viole la ley de conservación de la energía. Lo que ocurriría es que el motor no sólo podría absorber energía de un medio más caliente, sino también de uno más frío.

El logro de los físicos de Múnich también podría ser interesante para la cosmología, ya que la conducta termodinámica de la temperatura negativa presenta semejanzas con la llamada energía oscura. Los cosmólogos consideran que la energía oscura es la fuerza misteriosa que acelera la expansión del universo, cuando parece lógico que el cosmos debería contraerse por la atracción gravitatoria entre todas las acumulaciones de masa del cosmos.

Existe un fenómeno similar en la nube atómica creada en el laboratorio de Múnich: El experimento se basa en el hecho de que los átomos en el gas no se repelen entre sí como en un gas convencional, sino que sus interacciones son de atracción. Esto significa que los átomos ejercen una presión negativa en vez de una positiva. Como consecuencia, la nube de átomos "quiere" contraerse y debería colapsarse, tal como cabría esperar que pasara con el universo bajo el efecto de la gravedad. Pero debido a la temperatura negativa de la nube de átomos, esto no sucede.

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