100 abriles luego, los científicos obtienen la primera prueba de la imposibilidad matemática de cero incondicional

Frío. AP

Tras más de un siglo de controversia, las matemáticas ya tienen la primera prueba de la tercera ley de la termodinámica. Dicho de otra forma, a menos que tengas tiempo y medios infinitos, no puedes aparecer al cero incondicional de la temperatura.

Es posible que te estés preguntando, ¿y esto por qué es importante? En primer división porque engloba a la tercera ley de la termodinámica, la cual es una de las cuestiones fundamentales de la física contemporánea. Una que relaciona la termodinámica, la mecánica cuántica o la teoría de la información, un punto de acercamiento de muchas cosas.

Para explicarlo mejor primero tenemos que murmurar de dos conceptos. El primero de ellos es la definición de cero absoluto.

La historia del techo del frío

Cero Absoluto en Kelvin. Wikimedia Commons

Uno de los primeros científicos que discutió la posibilidad de una temperatura mínima absoluta fue Robert Boyle. Su texto de 1665 New Experiments and Observations touching Cold, articulaba la disputa conocida como el primum frigidum. En el mismo venía a sostener que:

Hay un cuerpo u otro que por su propia naturaleza es sumamente frío y que por su billete todos los demás cuerpos obtienen esa calidad.

Abriles luego aparecía la figura del físico Guillaume Amontons en 1702. El hombre fue el primero en cuestionar si existía tal techo para el naturaleza de frío posible, en cuyo caso se planteaba dónde debía colocarse. Amontons acabó argumentando que el cero de su termómetro sería la temperatura a la cual el bulto del ventarrón en él se redujese a ausencia. En este caso, el cero de su escalera era equivalente a rodeando de -240 °C.

Abriles luego Heinrich Lambert mejoró la perspectiva a los títulos modernos considerando el frío incondicional en -270 °C. Finalmente apareció Lord Kelvin, quién abordó la cuestión desde un punto de tino totalmente diferente y en 1848 ideó una escalera de temperatura absoluta basada nada más en las leyes fundamentales de la termodinámica. Así, partiendo de los principios de esa escalera, se situó en -273 °C, casi el mismo punto que el cero del termómetro de ventarrón.

Condensado de Bose-Einstein en un átomo de rubidio. El color rojo indica una velocidad elevada, y el blanco-azulado una descenso velocidad. La imagen de la derecha es la muestra más fría de las tres. Wikimedia Commons

¿Qué ocurría? Que nunca ha dejado de ser la teórica temperatura más descenso posible. Una donde el nivel de energía interna del sistema es el más bajo posible, tanto, que las partículas de la mecánica clásica carecen de movimiento. Y es aquí donde aparece la tercera ley de la termodinámica para postular que el cero incondicional es un techo inalcanzable.

Y de esto hace mucho tiempo. La tercera ley o el tercer principio de la termodinámica es aquel que postulaba que no se puede alcanzar el cero incondicional en un número finito de etapas. De hecho se definía como:

  • Al aparecer al cero incondicional, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
  • Al aparecer a cero incondicional la entropía alcanza un valía insignificante y constante

La tercera ley fue desarrollada por el químico Walther Nernst a principios del siglo XX. Nernst decía que la entropía de un sistema en el cero incondicional es una constante definida. Esto se debe a que un sistema a temperatura cero existe en su estado fundamental, razón por la que la entropía está determinada sólo por la degeneración del estado fundamental. Por tanto y como postuló hace más de 100 abriles (1906), “es irrealizable por cualquier procedimiento alcanzar la isoterma T = 0 en un número finito de pasos”.

La regla fue polémica, con pesos pesados ​​como Albert Einstein y Max Planck debatiéndolo e introduciendo sus propias formulaciones. En 1912, Nernst defendió su lectura agregando otra cláusula, el principio de inalcanzabilidad que establece que el cero incondicional es físicamente inaccesible.

El problema para Nernst era que, conveniente a que sus argumentos se centraban sólo en mecanismos específicos o estaban paralizados por suposiciones cuestionables, algunos físicos han permanecido reacios a darle validez.

Hasta ahora.

La primera prueba que proscribe matemáticamente al cero incondicional

Frío. Getty

Así llegamos hasta hoy. En el 2003 un familia de científicos del MIT decían haberse acercado a la temperatura, en cualquier caso no lo consiguieron. Ahora Jonathan Oppenheim y Lluís Masanes, uno y otro de la University College de Londres, han derivado matemáticamente el principio de inalcanzabilidad y han puesto límites a lo rápido que un sistema puede enfriarse creando una prueba universal de la tercera ley. Según explican:

En informática, la multitud se hace esta pregunta todo el tiempo: ¿cuánto tiempo se tarda en realizar un cálculo? Así como una máquina computacional realiza un cálculo, una máquina enfriadora enfría un sistema.

De esta forma, uno y otro se preguntaron cuánto tiempo tardaría en enfriarse. Cuando hablamos del proceso de refrigeramiento se puede considerar como una serie de pasos: el calor se retira de un sistema y se vierte en el entorno una y otra vez, y cada vez el sistema se enfría. Cuánto se enfría depende del trabajo que lleve quitar el calor y el tamaño del depósito para verterlo.

Así, aplicando técnicas matemáticas de la teoría de la información cuántica, los investigadores demostraron que ningún sistema vivo alcanzará nunca los 0 grados kelvin, porque esto tomaría un número infinito de pasos.

Eso no quita que acercarse al cero incondicional sea posible. Los propios Masanes y Oppenheim cuantificaron los pasos del refrigeramiento, estableciendo límites de velocidad para determinar cuán frío puede aparecer a ser un sistema transmitido un tiempo finito.

¿Y ahora qué?

Cold. Getty

Como los investigadores explican en su trabajo, lo cierto es que a medida que avanza la computación cuántica, la menester de cuantificar el refrigeramiento se vuelve más urgente. Para juntar datos las partículas en un ordenador cuántico se establecen en estados energéticos particulares; La energía extra y el calor que trae empujan las partículas fuera de esos estados, degradando o destruyendo los datos almacenados. Según Masanes:

No es sólo la exterminio de la energía del sistema. También se comercio de eliminar la incertidumbre.

Los límites establecidos por esta investigación son mucho menos estrictos que las limitaciones tecnológicas que hay por ahora: nadie ha ajustado temperaturas o velocidades de refrigeramiento cerca de lo que Masanes y Oppenheim encontraron en los límites. Lo que sí es cierto, o debería serlo, es que a medida que la tecnología prosperidad, se dilación que estos límites comiencen a ser prácticamente relevantes.

En cualquier caso todo eso lo veremos con el tiempo. Lo que hoy podemos sostener con rotundidad es que los físicos han ofrecido finalmente una prueba matemática de la tercera ley de la termodinámica, la cual establece que una temperatura del cero incondicional no puede lograrse físicamente porque es irrealizable para la entropía [Nature vía NewScientist]


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