Unos átomos a una temperatura absoluta negativa son el sistema más caliente del mundo.
Lo
que es normal para la mayor parte de la gente en invierno, hasta el
momento ha sido imposible para la física: una temperatura negativa. En
la escala Celsius, las temperaturas negativas solo sorprenden en verano.
En la escala de temperatura absoluta, usada por los físicos y conocida
como escala Kelvin, no es posible llegar por debajo del cero – al menos
no en el sentido de lograr menos de cero kelvin. De acuerdo con el
significado físico de temperatura, la temperatura de un gas viene
determinada por el movimiento caótico de sus partículas – cuanto más
frío está el gas, más lentas van las partículas. A cero kelvin (menos
273 grados Celsius) las partículas dejan de moverse y desaparece todo el
desorden. Por tanto, nada puede estar más frío que el cero absoluto en
la escala Kelvin. Físicos de la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich
(Ludwig-Maximilians University Munich) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Max Planck Institute of Quantum Optics)
en Garching, han creado un gas atómico en el laboratorio que, sin
embargo, ha logrado valores kelvin negativos. Estas temperaturas
absolutas negativas tienen varias consecuencias absurdas: aunque los
átomos del gas se atraen entre sí y dan lugar a una presión negativa, el
gas no colapsa – un comportamiento que también se propone para la
energía oscura en la cosmología. Motores de calor supuestamente
imposibles, como un motor de combustión con una eficiencia termodinámica
por encima del 100%, también pueden hacerse con la ayuda de las
temperaturas absolutas negativas.
Distribución de energía invertida a temperaturas absolutas negativas Crédito: LMU y MPG Múnich
Para hacer hervir el agua, se necesita añadir energía. Conforme se
calienta el agua, las moléculas aumentan su energía cinética a lo largo
del tiempo y se mueven, en promedio, cada vez más rápido. Aun así, las
moléculas aisladas tienen distintas energías cinéticas – desde las muy
lentas, a las muy rápidas. Los estados de baja energía son más probables
que los de una energía mayor, es decir, solo unas pocas partículas se
mueve realmente rápido. En física, la distribución se conoce como
distribución de Boltzmann. Los físicos que trabajan junto a Ulrich
Schneider e Immanuel Bloch ahora han creado un gas en el que la
distribución está exactamente invertida: muchas partículas poseen altas
energías y solo unas pocas energías bajas. Esta inversión de la
distribución de energía significa que las partículas han asumido una
temperatura absoluta negativa.
“La
distribución de Boltzmann invertida es el distintivo de la temperatura
absoluta negativa; y esto es lo que hemos logrado”, dice Ulrich
Schneider. “Aunque el gas no está más frío que cero kelvin, sino más
caliente”, tal como explican los físicos: “Está incluso más caliente que
cualquier otra temperatura positiva – la escala de temperatura
simplemente no termina en un infinito, sino que, en su lugar, salta a
valores negativos”.
Solo puede lograrse una temperatura negativa con un límite superior para la energía
El
significado de una temperatura absoluta negativa puede ilustrarse mejor
mediante unas esferas rodando en un paisaje montañoso, donde los valles
hacen el papel de energías potenciales bajas y las cimas de energías
altas. Cuanto más rápidamente se mueven las esferas, mayor es la energía
cinética: si se empiezan con temperaturas positivas, y se incrementan
la energía total de las esferas calentándolas, las esferas se
dispersarán cada vez más en regiones de alta energía. Si fuese posible
calentar las esferas a una temperatura infinita, habría una probabilidad
igual de encontrarlas en cualquier punto del paisaje,
independientemente de la energía potencial. Si ahora se pudiese añadir
aún más energía y, por tanto, calentar las esferas todavía más, se
reunirían preferiblemente en estados de alta energía y estarían más
calientes que una temperatura infinita. La distribución de Boltzmann se
invertiría y, por tanto, tendríamos una temperatura negativa. A primera
vista puede sonar extraño que una temperatura absoluta negativa sea más
caliente que una positiva. Esto, sin embargo, es simplemente una
consecuencia de una definición histórica de la temperatura absoluta; si
se definiese de forma distinta, no existiría esta aparente
contradicción.
Esta
inversión de la población de estados de energía no es posible en el
agua, ni en ningún otro sistema natural, dado que el sistema tendría que
absorber una cantidad infinita de energía – ¡una hazaña imposible! Sin
embargo, si las partículas poseen un límite superior de energía, como la
cima de la colina en el paisaje de energía potencial, la situación
sería completamente diferente. Los investigadores del grupo de
investigación de Immanuel Bloch y Ulrich Schneider han ideado ahora tal
sistema con un gas atómico con un límite superior de energía en su
laboratorio, siguiendo las propuestas teóricas de Allard Mosk y Achim
Rosch.
En su
experimento, los científicos enfriaron alrededor de 100 mil átomos en
una cámara de vacío a una temperatura de unas billonésimas de Kelvin y
los capturaron en trampas ópticas hechas de haces láser. El vacío
ultra-alto alrededor de los átomos garantiza que los átomos estén
perfectamente aislados del entorno. Los haces láser crean lo que se
conoce como una red óptica, en la que los átomos se reordenan
regularmente en las posiciones de la red. En esta red, los átomos aún
pueden moverse desde una posición a otra gracias a efecto túnel, aunque
su energía cinética tiene un límite superior y, por tanto, posee el
límite superior de energía requerido. La temperatura, sin embargo, no se
relaciona solo con la energía cinética, sino con la energía total de
las partículas, lo que, en este caso, incluye la interacción y la
energía potencial. El sistema de los investigadores de Múnich y Garching
también establece un límite a ambas. Los físicos llevaron entonces los
átomos a este límite superior de la energía total – logrando de este
modo una temperatura negativa, a menos unas pocas mil millonésimas de
kelvin.
A temperatura negativa, un motor puede realizar más trabajo
Si
las esferas poseen una temperatura positiva y están en un valle a su
mínima energía potencial, este estado, obviamente, es estable – esta es
la naturaleza tal como la conocemos. Si las esferas se sitúan en la cima
de una colina a su máxima energía potencial, entonces normalmente
rodarán hacia abajo y, por tanto, convertirán la energía potencial en
energía cinética. “Si las esferas están a temperatura negativa, sin
embargo, su energía cinética será tan grande que no pueden aumentar
más”, explica Simon Braun, estudiante de doctorado en el grupo de
investigación. “Las esferas no pueden rodar hacia abajo, y permanecen en
la cima de la colina. ¡El límite de energía logra de este modo mantener
estable el sistema!”. El estado de temperatura negativa en su
experimento es, efectivamente, tan estable como un estado de temperatura
positivo. “Por tanto, hemos creado el primero estado de temperatura
absoluta negativa para partículas en movimiento”, añade Braun.
La
materia a temperaturas absolutas negativas tiene todo un rango de
asombrosas consecuencias: con su ayuda, se podrían crear motores de
calor, tales como los motores de combustión, con una eficiencia de más
del 100%. Esto no implica, no obstante, que se viole la ley de la
conservación de la energía. En lugar de esto, el motor no solo podría
absorber energía del medio más caliente, y por tanto funciona, sino que
al contrario que en el caso normal, también podría hacerlo de un medio
más frío.
A
temperaturas puramente positivas, el medio más frío se calienta
inevitablemente, absorbiendo por tanto una parte de la energía del medio
más caliente y, de este modo, limitando la eficiencia. Si el medio
caliente tiene una temperatura negativa, es posible absorber energía de
ambos medios simultáneamente. El trabajo realizado por los motores, por
tanto, es mayor que la energía tomada solo del medio caliente – y la
eficiencia queda por encima del 100%.
El
logro de los físicos de Múnich podría además ser interesante para la
cosmología, dado que el comportamiento termodinámico de la temperatura
negativa, muestra paralelismos con la conocida como energía oscura. Los
cosmólogos proponen la energía oscura como una esquiva fuerza que
acelera la expansión del universo aunque, de hecho, el cosmos debería
contraerse debido a la atracción gravitatoria entre todas las masas.
Existe un fenómeno similar en la nube atómica del laboratorio de Múnich:
el experimento depende del hecho de que los átomos del gas no se
repelen entre sí como en un gas normal, sino que interactúan de forma
atractiva. Esto significa que los átomos ejercen, en su lugar, una
especie de presión positiva. Como consecuencia, la nube de átomos quiere
contraerse y debería colapsar – tal como se esperaría del universo bajo
el efecto de la gravedad. Pero debido a su temperatura negativa, esto
no sucede. El gas no colapsa, al igual que tampoco lo hace el universo.
Fuente: Ciencia Kanija - Max Planck
No hay comentarios:
Publicar un comentario