jueves, 18 de febrero de 2010

¿Qué pasa en el cero absoluto?

Las curiosas cosas que suceden a temperaturas ultrabajas sorprenden a los científicos. La semana pasada, científicos informaron que las moléculas de un gas ultrafrío pueden reaccionar químicamente a distancias más de 100 veces mayores de lo que lo hacen a temperaturas ordinarias.

A temperaturas normales se observa que al disminuir la temperatura las reacciones tienden a decrecer. Sin embargo, los científicos descubrieron que las moléculas situadas a unas pocas billonésimas de grado por encima del cero absoluto (-273º C o 0 Kelvin) todavía pueden intercambiar átomos y forjar nuevos enlaces químicos en el proceso, gracias a los extraños efectos cuánticos que se producen a temperaturas tan bajas.

Es perfectamente razonable esperar que "cuando cuando existen temperaturas ultrafrías no habría ningún proceso químico del que hablar", señala Deborah Jin de la Universidad de Colorado en Boulder, cuyo equipo informó de este descubrimiento en Science. "Este artículo dice que suceden muchos procesos químicos."

Embarquémonos ahora en una apasionante expedición hacia el maravilloso umbral del ultrafrío.

¿Por qué llegar al está cero absoluto (-273º C o O Kelvin) es una meta imposible?

En la práctica, la energía necesaria para eliminar el calor de un gas se hace mayor cuanto menor es la temperatura, y sería necesaria una energía infinita para enfriar algo al cero absoluto. En términos cuánticos, podemos culpar al principio de incertidumbre de Heisenberg, que nos dice que sólo se puede conocer con precisión la velocidad de la partícula o su posición, pero no ambas a la vez. Los átomos de tu experimento, tendrán algo de incertidumbre en su momento al mantenerlos por encima del cero absoluto, a menos que tu experimento fuera del tamaño del universo entero.

¿Cuál es el lugar más frío del sistema solar?

La temperatura más baja medida la obtuvo la sonda Lunar Reconaissance Orbiter (LRO) de la NASA el pasado año. LRO midió temperaturas de -240º C cerca del polo sur lunar. Unos 10 grados más frío que las temperaturas de Plutón. Sin embargo, en los confines del sistema solar exterior en la nube de Oort, las temperaturas podría caer aún más, hasta tal vez a 10 Kelvin.

Imagen del Telescopio Espacial Hubble de la Nebulosa Boomerang

¿Cuál es el objeto natural más frío en el universo?

El lugar más frío conocido en el universo es la Nebulosa Boomerang, a 5000 años-luz de distancia. Los científicos informaron que los gases que se expandían de la estrella central agonizante lo hacían tan rápidamente que alcanzaban tan sólo 1 kelvin, tan sólo 1º C por encima del cero absoluto. Normalmente, las nubes de gas en el espacio se calientan a temperaturas de 2,7 kelvin debido a la temperatura residual del fondo cósmico de microondas, esta radiación fósil remanente del Big Bang constituye un congelador cósmico, que permite que los gases mantengan esta tremenda frialdad.

¿Cuál es el objeto más frío en el espacio?

Si contamos a los satélites artificiales, podemos esperar cosas aún más frías. Algunos instrumentos del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, lanzado en mayo de 2009, están a tan sólo 0,1 kelvin, para suprimir el ruido de microondas que de otra forma nublaría la visión del satélite. El ambiente espacial, combinado con sistemas de refrigeración criogénica que utilizan hidrógeno y helio a temperaturas ultrabajas, mantienen a los instrumentos a temperaturas de 0.1 Kelvin en cuatro pasos secuenciales.

¿Cuál es la mínima temperatura conseguida hasta?

Las temperatura más baja fue registrada en un laboratorio en la Tierra. En septiembre de 2003 los científicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) anunciaron que habían enfriado una nube de átomos de sodio a una temperatura récord de 0,45 nanokelvins. Anteriormente en el Universidad de Tecnología de Finlandia se consiguió una temperatura de 0,1 nanokelvin en un trozo de rodio en 1999. Sin embargo, esta fue una temperatura para un tipo particular de movimiento (una propiedad cuántica llamada spin nuclear) no la temperatura mínima para todos los movimientos posibles.

¿Qué extraño comportamiento muestran los gases cerca del cero absoluto?

En los sólidos, líquidos y gases ordinarios, el calor o energía térmica es el resultado del movimiento de los átomos y moléculas que chocan unas contra otras. A temperaturas muy bajas, las extrañas leyes que rigen el mundo cuántico son las que mandan. Las moléculas no pueden colisionar en sentido convencional; en lugar de eso sus ondas mecánicas cuánticas se estiran y se solapan. Cuando se solapan forman lo que se llama un condensado Bose-Einstein, en el cual todos sus átomos actúan de forma idéntica como un único superátomo. La primera imagen de un condensado Bose-Einstein se creó en Colorado en 1995 usando una nube de átomos de rubidio enfriados a menos de 170 nanokelvins.

Fuente original
Publicado en Odisea cósmica
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13 comentarios:

Gabriel dijo...

Muy bien el articulo! Solo comentar que el último punto no es del todo cierto, esto solo pasa con bosones! En parte por eso la dificultad de observar un condensado B-E en particulas, en fotones ya se conocian muy bien, vease lasers.

Galileo dijo...

Gracias Gabriel. Todo esto es muy interesante se aprende mucho.

Ana del Agua dijo...

Un "básico" muy bien resumido.Volveré mas veces

Galileo dijo...

Para servirte Ana.

Saludos

Miguel dijo...

Hubiera estado bastante bien, si no fuera por un par de cosillas que creo son erroneas (y un artículo de divulgación científica no puede permitirse estas cosas):

1:
“Los átomos de tu experimento, tiendrán algo de incertidumbre en su momento al mantenerlos por encima del cero absoluto, a menos que tu experimento fuera del tamaño del universo entero”.

Esto no tiene mucho sentido, porque si tuvieras un experimento del tamaño del universo, con que tuviera algo de energía (con que estuviera algo por encima cero absoluto) sus átomos seguirían teniendo algo de incertidumbre. De hecho estamos en el universo, que se podría ver como un gran experimento observado por alguien (da igual que ese alguien exista o no), y los átomos aquí tienen incertidumbre. Este punto a lo mejor lo he entendido mal (o el autor no ha expresado correctamente lo que quería).

2:
“las nubes de gas en el espacio se calientan a temperaturas de 2,7 kelvin debido a la temperatura residual del fondo cósmico de microondas, esta radiación fósil remanente del Big Bang constituye un congelador cósmico, que permite que los gases mantengan esta tremenda frialdad.”

Aquí primero dice que la radiación de fondo calienta las nebulosas hasta 2.7 K (lo cual, hasta donde yo llego, es correcto), y luego que es un congelador cósmico, que permite que los gases mantengan esta tremenda frialdad. Sí la radiación no estuviera el universo estaría todavía mas frío, aunque no en el cero absoluto, ya que todavía tenemos la energía intrínseca del vacío, debida a pares de partícula-antipartícula virtuales, que entran y salen de la existencia gracias al principio de incertidumbre tiempo-energía, generando la energía del vacío.

Creo también, como bien ha dicho Gabriel, que no se puede hacer un Condensado Bose-Einstein (BEC) con cualquier tipo de materia, sólo si hay combinaciones posibles de Fermiones (partículas de materia) que puedan actuar como Bosones (partículas de fuerza), que quiere decir que el spin total de la combinación sea un múltiplo de la constante de Plank (los Fermiones son siempre un "múltiplo y medio", 0.5, 1.5, 2.5 etc…).

Por último, creo que es una pena que no mencione nada sobre super-conductividad y super-fluidez, dos de los fenómenos mas fascinantes de las bajas temperaturas.

Miguel dijo...

Se me ha olvidado poner que el hecho de que tengan spin "entero y medio" hace que la función de onda de los fermiones sea antisimétrica (lo que significa que si dos partículas se intercambian la función de onda se invierte). Esta es la razón del principio de exclusión de Pauli y toda la estructura atómica de la tabla periódica (un mismo nivel de energía sólo puede ser ocupado por dos electrones con spin opuesto).

El hecho de que los bosones tengan spin "entero" produce que su función de onda sea simétrica (queda igual al intercambiar dos partículas). Esto permite que en un mismo nivel energético puedan coexistir tantos bosones como se quiera, lo que puede producir un comportamiento altamente coherente, como es el caso del laser.

Ahora!, creo que el laser no es un condensado de Bose-Einstein, ya que está hecho de fotones (bosones fundamentales, mediadores de la fuerza electromagnética, y lo mas importante, sin masa). El BEC creo que se hace con átomos bosónicos como el Helio-4, que son conbinaciones de fermiones (protones y neutrones, que son combinaciones de quarks, también fermiones), en las que el spin resultante es entero. El condesado tiene masa, el laser no (no se puede condensar la luz!).

Anónimo dijo...

ps, a mi me a dejado algo frio. xD

Gaston dijo...

Felicitaciones Galileo!
Nunca comento, pero siempre leo!
Apasionante, sin palabras.
Te tengo en mis favoritos

Saludos desde Argentina
Gaston!

Anónimo dijo...

Gracias Galileo, por tanta información, pero no te lo pidio nadie.
Felices Pascuas

rocio dijo...

Me has dejado helada Gabriel.
Eres un crack

Anónimo dijo...

Ni el Universo puede llegar al 0 absoluto, aunque passen muchos millones de años y el universo se enfrie, siempre quedara a unas millonesimas por encima del 0 absoluto.

El Chalero Solitario dijo...

En donde dice "Sin embargo, los científicos descubrieron que las moléculas situadas a unas pocas billonésimas de grado por encima del cero absoluto (-273º C o 0 Kelvin) todavía pueden intercambiar átomos..." existe un error evidente, ya que jamás en la historia de la ciencia se logró una temperatura de de unas pocas billonésimas de grado Kelvin. La temperatura más baja jamás lograda en un laboratorio, como bien dices más adelante es de unos pocos nanokelvin. Supongo que se trata de un error de traducción, ya que los ingleses le llaman billón a lo que nosotros llamamos mil millones.

LINUXEXDEUX dijo...

Miguel, el artículo está muy bien, la diferencia entre errar y no profundizar (simplificar) es el público al que va.

Y sí acerca de los condensados de bosé einstein, el laser es un muy buen ejemplo. Los físicos pensamos en términos cuyos nombres en la mente de los aficionados rompen con sus modelos mentales.

Efectivamente, se olvida de puntos, pero el campo es muy amplio. Enhorabuena al autor