22/01/2013 - Una temperatura por debajo del cero absoluto

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Max Planck Institute of Quantum Optics - 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 (-273,15 º Centígrados o Celsius).

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 grados kelvin 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.

Para hervir agua se necesita energía. A medida que se calienta el agua, las moléculas aumentan su energía cinética 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 mayor energía, 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 han creado un gas en el que esa distribución está totalmente 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”.

Una temperaturanegativa sólo se puede lograr con un límite superior de 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 su energía cinética: si 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.

La primera impresión es que puede parecer extraño que una temperatura absoluta negativa sea más caliente que una positiva, sin embargo, esto 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, lo cual es 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 ese sistema en su laboratorio con un gas atómico con un límite superior de energía, siguiendo las propuestas teóricas de Allard Mosk y Achim Rosch.

En su experimento, los científicos enfriaron alrededor de 100.000 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 ultravacío existente alrededor de los átomos garantiza queestos 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, inevitablemente el medio más frío se calienta, 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.

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