Calor y Temperatura (IV). A vueltas con el cero absoluto

José I. García Laureiro, ISQCH

En el último post sobre calor y temperatura, publicado ya hace mucho tiempo, hablábamos del cero absoluto y de por qué esta temperatura era la más baja que podía alcanzar cualquier sistema físico. Como la temperatura es la medida del promedio de la energía de movimiento de las partículas del sistema, cuando todas ellas estén inmóviles, dicha energía será nula. Dado que en la termodinámica clásica la energía siempre es positiva, la temperatura correspondiente a ese estado de inmovilidad es la menor posible, y a ella le asoció lord Kelvin el valor de 0 K, el cero absoluto.

Sin embargo, dejamos un resquicio abierto al preguntar: ¿pueden los átomos o moléculas estar perfectamente inmóviles? El sentido  común nos haría responder: ¿y por qué no? Al igual que una pelota puede estar en movimiento o quieta, lo mismo sucederá con esas pequeñas pelotas que imaginamos que son los átomos. Lo cierto es que no es así. Para describir el comportamiento de partículas subatómicas, átomos y moléculas, las teorías físicas clásicas no bastan. Es necesario acudir a la teoría cuántica, que nos depara una sorpresa tras otra. El resumen de la situación podemos encontrarlo al comienzo de la novela “Timeline” (“Rescate en el tiempo”, en la edición española) del autor de ciencia-ficción estadounidense Michael Crichton, que recoge, entre otras, estas dos citas:

If anybody says he can think about quantum physics without getting giddy, that only shows he has not understood the first thing about them (Si alguien dice que puede pensar en la física cuántica  sin sentirse mareado, solo demuestra que no la entiende en absoluto).

Niels Bohr

I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics (Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica).

Richard Feynman

Poco esperanzador, ¿verdad? Lo cierto es que el comportamiento de los objetos a nivel atómico y subatómico está tan alejado de nuestra experiencia directa, que a menudo los fenómenos que acontecen a ese nivel se nos antojan contraintuitivos y paradójicos. Y uno de esos fenómenos es el que describió el físico alemán Werner K. Heisenberg a principios del siglo XX.

Werner Heisenberg en su juventud (Fuente: Wikipedia)

Durante su particular desarrollo de la teoría cuántica, por el cual recibió el premio Nobel en 1932, Heisenberg enunció su famoso “Principio de Incertidumbre”. Este principio establecía que hay determinados pares de propiedades de una partícula que nunca pueden conocerse simultáneamente con una precisión arbitraria. Un ejemplo lo constituyen la posición y el momento (relacionado con la masa y velocidad) de una partícula. El Principio de Incertidumbre nos dice que si conocemos con extraordinaria precisión la posición de una partícula, apenas sabremos nada acerca de su momento, y viceversa. Raro, ¿verdad? Pero esta es la causa de la imposibilidad de alcanzar el cero absoluto de temperatura.

En efecto, si en el cero absoluto de temperatura todos los átomos de una sustancia estuvieran perfectamente quietos, como decíamos en el post anterior, conoceríamos exactamente su momento (que sería nulo, al no poseer velocidad alguna) y su posición, ya que permanecerían en un lugar fijo. Heisenberg nos dice que eso no es posible, de forma que cuanto más afinamos la posición de los átomos, menos sabemos acerca de su estado de movimiento (a la postre, de su temperatura), y al contrario, cuanto más sabemos acerca de su momento (o sea de su temperatura), menos conoceremos acerca de su posición.  Esto se traduce en la existencia de un movimiento residual de las partículas, incluso en el cero absoluto de temperatura, proveniente de su “energía del punto cero”.

Muy bonito, diréis, pero esto es solo una teoría. ¿Podemos comprobar que esto sucede fuera de las pizarras de los físicos teóricos? Bueno, la mecánica cuántica es una teoría sí, pero no “SOLO” una teoría. Es posiblemente, junto con la Teoría de la Relatividad de Einstein, la teoría cuyas predicciones han sido comprobadas hasta límites de precisión insospechables. En el caso del principio de incertidumbre, existen fenómenos macroscópicos, es decir, que podemos percibir con nuestros propios sentidos, que demuestran su validez.

Helio líquido superfluido. En este estado, los líquidos son capaces de subir por la pared de un recipiente y escapar del mismo (vease la gota en la parte inferior) (Fuente: Wikipedia)

Quizá el más evidente de todos sea la imposibilidad de obtener helio sólido a presión atmosférica. Debido a que una baja temperatura siempre indica una menor velocidad media de las partículas del material en cuestión, las partículas constituyentes del material (átomos o moléculas) tienden a asociarse cada vez más entre ellas, debido a las fuerzas de atracción mutuas. Esto da lugar a la condensación desde la fase gaseosa a la líquida y, conforme se va enfriando, al paso de fase líquida (en la que las partículas conservan todavía bastante movilidad) a sólida (en las que la movilidad está ya muy restringida). En el caso del helio, compuesto por átomos muy ligeros (es el segundo elemento más ligero de la Tabla Periódica, tras el hidrógeno), el paso de gas a líquido tiene lugar a temperaturas tan bajas como 4 K (unos 269 ºC bajo cero). Si seguimos enfriando, sin embargo, nunca llegamos a observar helio sólido: la pequeña energía residual del punto cero es suficiente como para agitar los ligeros átomos de helio, proporcionándoles la fluidez propia de los líquidos.

La temperatura más baja medida fuera de nuestro planeta: los gases de la nebulosa Boomerang se encuentran a 1 K. (Fuente: Wikipedia)

Otras propiedades macroscópicas de gran interés práctico, como la superconductividad y la superfluidez, también dependen del Principio de Incertidumbre de Heisenberg, pero ahondar en ellas requeriría mucho más espacio, así que lo dejaremos estar. De momento, terminemos este post con algo que quizá os estéis preguntando desde hace rato. Vale, el cero absoluto no se puede alcanzar, pero, ¿cuánto nos hemos acercado a él? La respuesta es: mucho, muchísimo. Las temperaturas más bajas reportadas por distintos grupos de investigación utilizando distintos sistemas de enfriamiento han bajado de 1 nK, es decir 0,000000001 K. Pero falta aún mucho hasta que estos sistemas lleguen a vuestras neveras me temo. 😉

EPÍLOGO

Puede que los más jóvenes asociéis el nombre de Heisenberg a un personaje televisivo reciente, más que al eminente físico que ha sido nuestro protagonista de hoy. Obviamente, el nombre de guerra de ese personaje no fue elegido por casualidad…

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El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

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