Cuando a mediados del siglo XIX Lord Kelvin definió su
escala absoluta de temperatura, determinó que nada puede ser más frío que el
cero absoluto (-273°C), el estado donde los átomos están en reposo y dejan de
generar calor. Sin embargo, en los años ’50 los físicos notaron que no siempre
esto es así, y que existe la ‘temperatura negativa‘.
Para comprenderla, hay que entender a la temperatura no
como los grados de una escala en un termómetro, sino como un gráfico de
probabilidades de encontrar las partículas de un elemento con cierta cantidad
de energía (probabilidad vs. cantidad de energía).
Normalmente, un sistema de partículas con temperatura
absoluta positiva significa que es más probable encontrar una gran cantidad de
partículas con poca energía, pues están en equilibrio, y pocas partículas con
mucha energía. Sin embargo, la temperatura negativa significa que esto es al
revés, que es más probable encontrar partículas con mucha energía, y lo menos
probable es que hayan partículas con poca energía.
La mayor parte de los sistemas no pueden alcanzar una
temperatura negativa porque añadir energía a un sistema siempre incrementa su
entropía, por lo que la temperatura negativa es estrictamente un fenómeno
cuántico.
La temperatura negativa solía existir sólo en la teoría,
sin embargo un equipo de investigadores liderados por Ulrich Schneider de la
Universidad Ludwig Maximilian de Munich, Alemania, desarrollaron un método para
alcanzar temperaturas absolutas bajo cero con un gas cuántico ultrafrío hecho
de átomos de potasio.
El equipo de Schneider uso lásers y campos magnéticos
para mantener a cada uno de los átomos fijos a una red. Cuando la temperatura
es positiva, los átomos se repelen y la configuración es estable. Luego, el
equipo reajusta rápidamente los campos magnéticos para hacer que los átomos se
atraigan entre sí antes de repelerse.
“Esto hace que los átomos rápidamente cambien de su
estado energético más bajo y estable, al estado energético más alto posible
antes de que puedan reaccionar”, dice Schneider. “Es como caminar por un valle
y verse instantáneamente en el pico de una montaña”.
Con una temperatura positiva el reajuste sería inestable causando
el colapso de los átomos, pero el equipo ajustó los lásers para evitar esta
situación. El resultado publicado por la revista Nature es la descripción de un
gas que pasa de estar un poco por sobre el cero absoluto, a tener unas
billonésimas de Kelvin bajo el cero absoluto.
Wolfgang Ketterle, un físico premio Nobel del MIT, quien
demostró hace un tiempo atrás la existencia de la temperatura negativa en un
sistema magnético, asegura que esta técnica podría “ser una forma de crear
nuevas formas de materia en un laboratorio“. Por ejemplo, científicos calculan
que un sistema de temperatura negativa podría causar que sus átomos desafíen la
gravedad.
Otra de las particularidades de un sistema con
temperatura negativa sería que el gas imitaría a la ‘energía oscura’, la
desconocida fuerza que empuja al Universo a expandirse cada vez más rápido por
sobre la fuerza de gravedad, pues los átomos en el gas producido por el equipo
de Schneider también tienden a contraerse, pero la temperatura negativa lo
estabiliza.
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