Este artículo forma parte de la sección The Conversation Júnior, en la que especialistas de las principales universidades y centros de investigación contestan a las dudas de jóvenes curiosos de entre 12 y 16 años. Podéis enviar vuestras preguntas a tcesjunior@theconversation.com
Pregunta de José A., de 14 años. IES Alfaguara. Yunquera (Málaga).
Como su nombre sugiere, el límite del frío se sitúa en lo que llamamos cero absoluto. Este valor es exactamente 273,15 grados Celsius bajo cero y se toma como el origen de la escala absoluta de temperaturas: la escala Kelvin. Así, el cero absoluto corresponde a cero Kelvin, y los cero grados Celsius a 273,15 Kelvin.
Pero veamos cómo se pudo llegar a esta cifra tan exacta (adelantamos que no fue tarea fácil).
Amontons intuye que hay una temperatura mínima
A principios del siglo XVIII, el físico francés Guillaume Amontons realizó una serie de experimentos con gases, confirmando la ley de Boyle-Mariotte. Esta ley dice que el producto de la presión por el volumen que ocupa un gas es constante a una temperatura dada. Esto es, si aumentamos la presión, disminuye el volumen en la misma proporción. Por ejemplo, si duplicamos la primera, el segundo se reducirá a la mitad.
Usando un termómetro de mercurio, Amontons demostró que la presión del aire disminuía a la vez que la temperatura. A partir de ahí especuló que si se reducía la temperatura lo suficiente, llegaría un momento en que dicha presión sería nula. El científico galo concluyó que sería imposible bajar de esa frontera, que estimó en 248 ºC bajo cero (o -248 ºC).
Varios científicos repitieron los experimentos de Amontons u otros parecidos, dando diferentes estimaciones del cero absoluto. Por ejemplo, Jean-Henri Lambert lo situó, a mediados del siglo XVIII, en -270 ºC. En 1802, Louis Joseph Gay-Lussac encontró el valor de -266,7 ºC (aunque, al contrario que Amontons o Lambert, pensaba que el cero absoluto no existía realmente, ya que la ley de los gases descubierta por él no sería válida a bajas temperaturas).
Aquellos cálculos eran tan diferentes porque se hicieron extrapolando datos de temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. El margen de error era muy grande. Finalmente, fue William Thomson (Lord Kelvin) quien consiguió echar bien los cálculos, en 1848, y establecer la escala de temperaturas que lleva su nombre, fijando el cero absoluto en -273 ºC. Era un valor prácticamente idéntico al actual.
La carrera del frío
Durante todo el siglo XIX se produjo una auténtica carrera del frío. Los científicos se afanaron en conseguir en sus laboratorios temperaturas cada vez más bajas. Michael Faraday (1791-1867) alcanzó los -33 ºC licuando amoníaco. También consiguió volver líquidos otros gases como el cloro o el benceno.
Louis Cailletet lo consiguó en 1877 con el oxígeno, a -140 ºC. Y seis años más tarde, el científico polaco Karol Olszewski batió el récord licuando aire a -195 ºC.
Al final del siglo XIX se estableció cierta rivalidad entre el escocés James Dewar, Olszewski y el neerlandés Heike Kamerlingh Onnes. Dewar pisó fuerte y se anotó la licuación del hidrógeno a -252,8 ºC. Pero fue Kamerlingh Onnes quien se llevó el gato al agua volviendo líquido el más difícil de todos los gases: el helio. Lo hizo en 1908 a la increíble temperatura de -269,15 ºC.
Tras el éxito de Dewar, Kamerlingh Onnes había comprendido que la licuefacción del helio requería grandes instalaciones e invirtió varios años en crear su laboratorio de bajas temperaturas. No solo disponía de taller mecánico, taller de sopladores de vidrio y laboratorio de química, sino que también creó escuelas para la formación de los profesionales necesarios. El laboratorio de Kamerlingh Onnes mantuvo la exclusiva mundial de licuefacción del helio durante 15 años.
¿Por qué es imposible alcanzar el cero absoluto?
Pero ¿hasta dónde puede llegar esta carrera? La teoría cinética de los gases establece que los procesos térmicos son consecuencia del movimiento microscópico de átomos y moléculas. Según esta teoría, los átomos y moléculas que componen un gas se mueven aleatoriamente y sin cesar en todas direcciones. Mientras que la temperatura es la medida de la agitación promedio de esas moléculas, la presión indica la fuerza que ejercen al rebotar sobre las paredes que las contienen.
Desde el punto de vista de la física clásica, el cero absoluto corresponde al punto en que las moléculas gaseosas no se mueven y, por tanto, no ejercen presión sobre las paredes. Pero la física cuántica –la que gobierna el diminuto mundo de los átomos y las partículas– cambió ese panorama.
Entre las peculiaridades de la física cuántica está el llamado principio de indeterminación de Heisenberg. Esta ley prohíbe que una partícula esté en reposo, ya que entonces se conocerían con absoluta precisión su posición y su velocidad, algo que el principio excluye expresamente. Las sustancias puras en el cero absoluto tienen una energía muy pequeña, sí, pero distinta de cero.
Los trabajos teóricos de Walther Nernst y Max Planck a principios del siglo XX condujeron a otra ley importante: el tercer principio de la termodinámica. Íntimamente ligado con la teoría cuántica, tiene como consecuencia directa que el cero absoluto es inalcanzable.
Pero aunque no sea posible obtenerlo estrictamente, sí es posible acercarse a él mucho. Las técnicas actuales, que usan potentes rayos láser para frenar las moléculas –consiguiendo así que se enfríen–, permiten obtener temperaturas del orden de solo millonésimas de grado por encima del cero absoluto.
La física de bajas temperaturas es fuente continua de nuevos descubrimientos
De ese modo, usando el enfriamiento por láser, Eric Cornell y Carl Wieman consiguieron crear en 1995 el primer condensado de Bose-Einstein, lo que les valió el Premio Nobel de Física de 2001. Un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia en el que todas las partículas se encuentran en el mismo nivel cuántico: el de la energía más baja posible, que también se llama estado fundamental.
El condensado de Cornell y Wieman estaba formado por átomos de rubidio enfriados a 0,17 microKelvin, es decir, apenas 0,17 millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Sin duda, se trata de la frontera extrema del frío.
El museo interactivo Parque de las Ciencias de Andalucía colabora en la sección The Conversation Júnior.
Alberto Tomás Pérez Izquierdo recibe fondos del Ministerio de Ciencia e Innovación a través de los proyectos PID2022-138890NB-I00 y PID2021-123297NB-I00.