Suele pensarse que el cero absoluto es la temperatura más fría posible. Pero ahora los investigadores demuestran que pueden alcanzar temperaturas aún más bajas para un extraño reino de «temperaturas negativas»
Otra forma de ver estas temperaturas negativas es considerarlas más calientes que el infinito, añadieron los investigadores.
Este inusual avance podría conducir a nuevos motores que podrían ser técnicamente más del 100 por ciento eficientes, y arrojar luz sobre misterios como la energía oscura, la misteriosa sustancia que aparentemente está tirando de nuestro universo.
La temperatura de un objeto es una medida de cuánto se mueven sus átomos: cuanto más frío es un objeto, más lentos son los átomos. A la temperatura físicamente imposible de alcanzar de cero kelvin, o menos 459,67 grados Fahrenheit (menos 273,15 grados Celsius), los átomos dejarían de moverse. Como tal, nada puede ser más frío que el cero absoluto en la escala Kelvin.
Temperaturas negativas de Bizarro
Para comprender las temperaturas negativas que los científicos han ideado ahora, se podría pensar que la temperatura existe en una escala que es en realidad un bucle, no lineal. Las temperaturas positivas constituyen una parte del bucle, mientras que las negativas constituyen la otra parte. Cuando las temperaturas se sitúan por debajo de cero o por encima del infinito en la región positiva de esta escala, terminan en territorio negativo.
Con las temperaturas positivas, es más probable que los átomos ocupen estados de baja energía que estados de alta energía, un patrón conocido como distribución de Boltzmann en física. Cuando un objeto se calienta, sus átomos pueden alcanzar niveles de energía más altos.
En el cero absoluto, los átomos ocuparían el estado de energía más bajo. A una temperatura infinita, los átomos ocuparían todos los estados de energía. Las temperaturas negativas son, pues, lo contrario de las positivas: los átomos ocupan con mayor probabilidad los estados de alta energía que los de baja energía.
«La distribución de Boltzmann invertida es el sello de la temperatura absoluta negativa, y esto es lo que hemos conseguido», dijo el investigador Ulrich Schneider, físico de la Universidad de Múnich (Alemania). «Sin embargo, el gas no es más frío que cero kelvin, sino más caliente. Está incluso más caliente que a cualquier temperatura positiva: la escala de temperatura simplemente no termina en el infinito, sino que salta a valores negativos».
Como era de esperar, los objetos con temperaturas negativas se comportan de formas muy extrañas. Por ejemplo, la energía suele fluir desde los objetos con una temperatura positiva más alta hacia los que tienen una temperatura positiva más baja, es decir, los objetos más calientes calientan los objetos más fríos, y los objetos más fríos enfrían los más calientes, hasta que alcanzan una temperatura común. Sin embargo, la energía siempre fluirá de los objetos con temperatura negativa a los que tienen temperatura positiva. En este sentido, los objetos con temperaturas negativas son siempre más calientes que los que tienen temperaturas positivas.
Otra extraña consecuencia de las temperaturas negativas tiene que ver con la entropía, que es una medida de lo desordenado que es un sistema. Cuando los objetos con temperatura positiva liberan energía, aumentan la entropía de las cosas a su alrededor, haciendo que se comporten de forma más caótica. Sin embargo, cuando los objetos con temperaturas negativas liberan energía, en realidad pueden absorber entropía.
Las temperaturas negativas se considerarían imposibles, ya que normalmente no hay un límite superior para la cantidad de energía que pueden tener los átomos, hasta donde la teoría sugiere actualmente. (Existe un límite para la velocidad a la que pueden viajar: según la teoría de la relatividad de Einstein, nada puede acelerar a velocidades superiores a la de la luz.)
Experimento de física chiflada
Para generar temperaturas negativas, los científicos crearon un sistema en el que los átomos sí tienen un límite para la cantidad de energía que pueden poseer. Primero enfriaron unos 100.000 átomos a una temperatura positiva de unos pocos nanokelvin, o milmillonésima parte de un kelvin. Enfriaron los átomos dentro de una cámara de vacío, que los aisló de cualquier influencia ambiental que pudiera calentarlos accidentalmente. También utilizaron un entramado de rayos láser y campos magnéticos para controlar con gran precisión el comportamiento de estos átomos, lo que ayudó a llevarlos a un nuevo reino de temperaturas.
«Las temperaturas que logramos son de nanokelvin negativos», dijo Schneider a LiveScience.
La temperatura depende de la cantidad de movimiento de los átomos, de la energía cinética que tienen. La red de rayos láser creó un conjunto perfectamente ordenado de millones de puntos brillantes de luz, y en este «entramado óptico», los átomos podían seguir moviéndose, pero su energía cinética era limitada.
La temperatura también depende de cuánta energía potencial tienen los átomos, y cuánta energía reside en las interacciones entre los átomos. Los investigadores utilizaron la red óptica para limitar la cantidad de energía potencial de los átomos, y utilizaron campos magnéticos para controlar muy finamente las interacciones entre los átomos, haciéndolas atractivas o repulsivas.
La temperatura está relacionada con la presión: cuanto más caliente está algo, más se expande hacia fuera, y cuanto más frío está, más se contrae hacia dentro. Para asegurarse de que este gas tuviera una temperatura negativa, los investigadores tuvieron que darle también una presión negativa, jugando con las interacciones entre los átomos hasta que se atrajeron más de lo que se repelieron.
«Hemos creado el primer estado de temperatura absoluta negativa para las partículas en movimiento», dijo el investigador Simon Braun de la Universidad de Múnich en Alemania.
Nuevos tipos de motores
Las temperaturas negativas podrían utilizarse para crear motores térmicos -motores que convierten la energía térmica en trabajo mecánico, como los motores de combustión- que tengan una eficiencia superior al 100 por cien, algo aparentemente imposible. Estos motores no sólo absorberían la energía de las sustancias más calientes, sino también de las más frías. De este modo, el trabajo realizado por el motor podría ser mayor que la energía tomada únicamente de la sustancia más caliente.
Las temperaturas negativas también podrían ayudar a arrojar luz sobre uno de los mayores misterios de la ciencia. Los científicos esperaban que la atracción gravitatoria de la materia ralentizara la expansión del universo tras el Big Bang, llevándola finalmente a un punto muerto o incluso invirtiéndola para un «Big Crunch». Sin embargo, la expansión del universo aparentemente se está acelerando, un crecimiento acelerado que los cosmólogos sugieren que puede deberse a la energía oscura, una sustancia aún desconocida que podría constituir más del 70 por ciento del cosmos.
De forma muy parecida, la presión negativa del gas frío que crearon los investigadores debería hacer que colapsara. Sin embargo, su temperatura negativa impide que lo haga. Como tal, las temperaturas negativas podrían tener interesantes paralelismos con la energía oscura que podrían ayudar a los científicos a entender este enigma.
Las temperaturas negativas también podrían arrojar luz sobre estados exóticos de la materia, generando sistemas que normalmente podrían no ser estables sin ellas. «Una mejor comprensión de la temperatura podría conducir a cosas nuevas en las que aún no hemos pensado», dijo Schneider. «Cuando se estudia lo básico muy a fondo, nunca se sabe dónde puede acabar».
Los científicos detallan sus hallazgos en el número del 4 de enero de la revista Science.
Sigue a LiveScience en Twitter @livescience. También estamos en Facebook & Google+.
Noticias recientes