Lo más frío posible
Un equipo de científicos franceses, bajo la dirección de Alain Aspect, estableció un nuevo récord de frialdad en la primavera de 1990. Enfriaron algunos átomos del elemento cesio hasta una temperatura de 2,5 microkelvins.
¿Qué es un microkelvin? Esta pregunta nos conduce hasta el físico británico William Thomson que, más tarde, se convirtió en el barón Kelvin. Sostenía que la temperatura representaba la energía contenida por una cantidad de materia y que, cuando la energía se redujera a cero, la materia se enfriaría lo máximo posible. No podría haber nada más frío porque no se podría tener nada menor que energía cero.
A esta temperatura lo más fría posible se la conoce como «cero absoluto» y se establece a 273,15 grados Celsius bajo cero o a 459,67 grados Fahrenheit bajo cero. A los científicos a menudo les parece conveniente medir temperaturas como tantos grados Celsius sobre el cero absoluto.
Por ejemplo, el hielo se funde a 0 grados Celsius (°C). Podemos así decir que se funde a 273,15 grados absolutos (273,15° A). No obstante, los sistemas Celsius y Fahrenheit para medir temperaturas reciben ambos el nombre de los científicos que los crearon, así que se pensó que el nuevo sistema también debería de llevar el nombre del propio. Por esa razón, los científicos dicen que el hielo funde a 273,15 grados Kelvin (273,15 °K): la millonésima parte de un grado Kelvin es un «microkelvin».
Durante muchos años, los científicos han tratado de eliminar la energía de la materia para obligar a su temperatura a que cada vez sea menor. En 1823, por ejemplo, el químico británico Michael Faraday licuó gas cloro a una temperatura de 238,7 °K.
Los científicos siguieron extrayendo energía de la materia, por lo general licuando gases y después dejando que parte de él se evaporara. Esto eliminaba energía y restaba temperatura de la fracción sin evaporar. En 1877, se licuó oxígeno a sólo 90,17 °K. Poco después se licuó monóxido de carbono a 81,70 °K y nitrógeno a 77,35 °K. En 1895, el científico británico James Desar licuó hidrógeno a 20,38 °K.
Estos gases se estaban enfriando poco a poco, pero seguía existiendo un gas que desafiaba a la licuefacción, el helio. Hasta 1908, el físico holandés Heike Kamerlingh-Onnes no logró licuar el helio a la temperatura glacial de 4,21 °K. Al hacer que el helio se licuara, logró alcanzar una temperatura de 0,83 °K, así que los científicos se habían acercado a menos de un grado del cero absoluto.
Al estudiar el comportamiento de la materia a la temperatura del helio líquido, Kamerlingh-Onnes descubrió la superconductividad, la capacidad de algunos materiales de conducir la electricidad sin pérdidas. Sin embargo, el sistema de evaporar líquidos fríos no produce temperaturas menores que medio grado por encima del cero absoluto. Puesto que un microkelvin es una millonésima de un grado, medio grado son 500 000 microkelvins.
En los años veinte se descubrió que si determinados compuestos se sometían a un campo magnético, todos los átomos se alineaban. Si los compuestos se enfriaban lo máximo posible y se eliminaba el campo magnético, los átomos se desordenaban, lo cual consumía energía y reducía la temperatura. Al usar esta técnica, los científicos consiguieron reducir la temperatura hasta 30 000 microkelvins en 1933.
Hay dos tipos de helio: helio 3 y helio 4. En los años sesenta se desarrollaron métodos para utilizar mezclas de los dos para hacer que las temperaturas descendieran todavía más. En 1965, se logró una temperatura de sólo 20 microkelvins.
¿Cómo podían los científicos mejorarlo? En los años ochenta se desarrolló una nueva técnica utilizando láser. Un pequeño grupo de átomos se somete a seis haces intensos de láser: por arriba, por abajo, de frente, por detrás, a izquierda y a derecha. Los átomos se encuentran con que no se pueden mover en ninguna dirección. Siempre está presente la presión del haz de láser que se opone al movimiento. Esto quiere decir que a los átomos no les queda más remedio que quedarse inmóviles, o casi inmóviles. Cuanto más cerca de la inmovilidad están, menos energía tienen y más baja es su temperatura.
De esta manera se obtuvo una temperatura de sólo 2,5 microkelvins (0,25 cienmilésimas grado por encima del cero absoluto).
¿Pueden los científicos alcanzar el cero absoluto real? ¡No! Una de las leyes básicas de la termodinámica dice que no pueden. No importa cuánta energía se extraiga de la materia, siempre queda algo. En este caso los átomos, a los que se mantiene casi inmóviles mediante los rayos láser, no se pueden mantener totalmente inmóviles porque absorben cantidades mínimas de energía del láser y la vuelven a emitir. La emisión provoca en ellos un ligero retroceso que representa energía.
No obstante, los científicos, incluso si no pueden alcanzar el cero absoluto, pueden acercarse cada vez más. Algunos intentan alcanzar una temperatura equivalente a un picokelvin (una millonésima de microkelvin o una billonésima de grado por encima del cero absoluto).
¿Por qué? ¿Con qué propósito? Bien, nunca podemos decir qué nuevo fenómeno se descubrirá. Además, los científicos, como los jugadores de béisbol, disfrutan estableciendo récords.