El cero absoluto. Más frío imposible

El cero absoluto es la temperatura correspondiente a 0 grados kelvin o, lo que es lo mismo, -273'15 grados en la escala de Celsius, que es la que nosotros usamos habitualmente. Esta temperatura ha traído de cabeza a muchos científicos desde que Guillaume Amontons teorizó sobre su existencia en el año 1702: según él, debía de existir una temperatura mínima por debajo de la cual era imposible llegar. Muchos investigadores han querido acercarse, y no precisamente para saber si hace mucho frío. Parece ser que el cero absoluto es una caja de sorpresas.

¿De dónde surge la idea del cero absoluto?

Para entender que exista esta temperatura mínima a partir de la cual ya no puede hacer más frío debemos recordar qué es la temperatura en sí: aquello que denominamos ‘temperatura’ no es otra cosa que la manifestación del movimiento de las partículas que forman un cuerpo, la manifestación de su energía cinética. Cuanto más rápido se mueven, más caliente lo percibimos. Recuerda que las partículas de un cuerpo, los átomos, siempre están en movimiento; vibran, giran, se desplazan. Incluso las que forman un cuerpo sólido, aunque no lo parezca, se están moviendo. Así, cuando calentamos algo, lo que estamos provocando al fin y al cabo es que sus átomos se muevan más rápido. Hemos dicho que cuanto mayor es la velocidad que lleven los átomos, más elevada será la temperatura... Ah! ¿Pero qué pasaría si no se movieran en absoluto? Justo en el clavo. Acabamos de topar con el cero absoluto. Porque… claro está, estarse más quieto que quieto, es imposible.

Otra manera de manifestar la existencia de este cero absoluto, de una forma algo más práctica, es comprobar que a medida que enfriamos un cuerpo, su volumen disminuye (si la presión se mantiene constante). Si medimos esta disminución del volumen a diferentes temperaturas, y construimos una gráfica con el volumen en las ordenadas (el eje de las Y) y la temperatura en las abscisas (el eje de las X), obtendremos una recta -mirad el dibujito para seguir de cerca la explicación-. Extrapolando esta recta hasta allí donde las ordenadas tienen valor cero topamos con la mínima temperatura posible: -273,15ºC. La mínima porque... ¿qué quiere decir tener un volumen negativo? ¿Y un volumen cero?

Allí donde la gráfica cruza el eje de las X (temperatura) encontramos la temperatura en grados Celsius del cero absoluto: -273,15ºC.

El lugar más frío del universo

Allí donde hace más frío de todo el universo es en el espacio exterior, donde la temperatura se sitúa a 3 grados por encima del cero absoluto. ¿Por qué no se llega hasta el cero? Parece que el calor que produjo el Big Bang, la explosión que creó el universo, se encuentra difundido por todas partes y evita que la temperatura en el espacio sea inferior a los 3 grados kelvin. La medida de esta temperatura es una de las evidencias más importantes que nos indica que el Big Bang realmente ocurrió.

Inalcanzable

Los humanos somos capaces de hacer mucho más que la naturaleza cuando se trata de enfriar cosas. Durante casi un siglo hemos sido capaces de construir refrigeradores que alcanzan temperaturas inferiores a los 3 grados kelvin del espacio exterior. Actualmente, incluso, en algunos laboratorios adelantados como por ejemplo el Massachusetts Institute of Technology se han podido lograr temperaturas del orden de billonésimas de grado kelvin (es decir, 0,0000001 grados K). ¿Pero por qué no conseguimos llegar al cero absoluto? ¿Por qué no podemos detener los átomos?

En efecto, llegar al cero absoluto es completamente imposible desde el punto de vista práctico. Para entender por qué no podemos llegar al cero absoluto debemos recurrir al Tercer Principio de la Termodinámica. Este principio dice que no podemos llegar al cero absoluto mediante ningún procedimiento que conste de un número finito de etapas. ¿Qué quiere decir esto? En otras palabras: nos podemos acercar tanto como queramos, pero nunca llegaremos del todo.

Imaginémonos que quisiéramos enfriar un gas hasta el cero absoluto. De entrada sabemos que existe una relación entre la temperatura y la presión del gas, de forma que si el volumen se mantiene constante, la presión disminuye a medida que el gas se enfría. Desde un punto de vista teórico, pues, la presión llegaría a hacerse nula a la temperatura de 0 grados kelvin y las moléculas dejarían de menearse. Pero esto sabemos que no puede llegar a pasar nunca porque todos los gases condensan (pasan a estado líquido) por encima de esta temperatura.

¿Qué pasa cerca del cero absoluto?

A temperaturas próximas a 0 grados kelvin, la materia presenta propiedades inusuales, como por ejemplo la superconductividad, la superfluidez y la condensación de Bose-Einstein. Los materiales superconductores no presentan resistencia al paso de corriente eléctrica cuando son enfriados por debajo de una temperatura determinada. Así por ejemplo, a 4 grados kelvin (-269ºC) el mercurio se solidifica y puede conducir la corriente eléctrica sin ofrecer el menor asomo de resistencia. Por su parte, el helio conocido como helio 4 (su masa atómica es de 4) presenta un estado de superfluidez a temperaturas por debajo de -270’98ºC, de modo que forma una película sobre la superficie de los recipientes por donde fluye sin resistencia. Es decir, se comporta como si tuviera una viscosidad nula.

Cornell y Weinman felices por su hallazgo

El año 2001 los científicos Cornell y Weiman recibieron ex-aequo el premio Nobel de Física con Ketterle por sus estudios sobre los condensados de Bose-Einstein, tipificados como un nuevo estado de agregación de la materia que presentan ciertos materiales a temperaturas muy bajas. De hecho, tanto los superconductores como los superfluidos son ejemplos de estos condensados.

¿Qué es un condensado de Bose-Einstein?

A temperaturas normales, los átomos suelen encontrarse distribuidos en niveles de energía (niveles cuánticos) diferentes. Cerca del cero absoluto de temperatura, el cual representa el estado de menor energía posible, algunos tipos de átomos (los del mercurio, por ejemplo) se encuentran todos en los niveles de energía mínimos. De hecho lo más interesante es que todos se encuentran en el mismo nivel de energía (el mismo nivel cuántico). En esta situación, empiezan a hacer algo similar a fusionarse: todos los átomos pierden su individualidad y ocupan de pronto el mismo lugar. Podríamos decir que los átomos “condensan” en el nivel de energía mínimo. Este sorprendente hecho, difícil de entender según nuestra manera de percibir el espacio y la materia, es el que da propiedades especiales a los condensados de Bose-Einstein.

El 1995 Cornell y Weiman enfriaron una pequeña muestra de átomos hasta sólo algunas billonésimas de grado (0,000.000.001) sobre el cero absoluto. Es justo lo que necesitaban para poder observar un nuevo estado de agregación de la materia: la Condensación de Bose-Einstein. Por este hito ganaron el Premio Nobel de Química el año 2001.

Máquinas para acercarse al frío absoluto

Los criostatos son sofisticados aparatos que permiten llegar a temperaturas próximas al cero absoluto. Están extremadamente bien aislados del exterior y existen diferentes modelos en el mercado en función del rango de temperaturas que se pretende lograr. Si se quiere trabajar a temperaturas no inferiores a 0,7 grados kelvin, se pueden usar criostatos que utilicen helio líquido. Para lograr temperaturas por debajo de 0,7 grados kelvin, entonces no es suficiente con el helio líquido y hacen falta campos magnéticos.

En cualquier caso, podéis imaginaros que medir valores de temperatura próximos al cero absoluto no es nada fácil y los termómetros que se utilizan no tienen nada que ver con los convencionales.

La criogenia tiene aplicaciones muy interesantes y útiles, como por ejemplo su uso terapéutico en casos de Parkinson. Mediante una sonda criogénica se congela de forma selectiva el tejido del cerebro afectado por la enfermedad con objeto de destruirlo. Asimismo, el uso de la criogenia en operaciones de cataratas ha abierto nuevas posibilidades de cura.

Criostato en un centro de investigación finlandés (Laboratorio de Bajas Temperaturas).