En la escala absoluta de temperaturas (llamada escala Kelvin), no se pueden alcanzar temperaturas por debajo de cero Kelvin (el cero absoluto)… al menos, no en el sentido de temperaturas más frías. Eso se debe a su origen cinético: cuanto más fría es la temperatura de un gas, más lento es el movimiento caótico de sus partículas. A 0 K (cero Kelvin), el movimiento cesa y todo desorden desaparece, por lo que no puede haber temperaturas más frías que el cero de la escala Kelvin. Sin embargo, se pueden crear sistemas con temperaturas negativas, como han hecho investigadores de la Universidad Ludwig-Maximilliam de Munich, y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching.
Cuando se calienta un sistema, pongamos por caso un gas, sus partículas incrementan su energía cinética en general, aunque cada partícula tiene su velocidad particular, de muy lenta a muy rápida. En equilibro térmico, los estados de energía baja son mas probables que los de energías altas; es decir, solamente una pequeña fracción de partículas se mueven realmente rápido. Esta distribución de velocidades (y energías) es característica y se denomina distribución de Maxwell-Botzmann.
Sin embargo, los físicos Ulrich Schneider e Immanuel Bloch han conseguido crear un sistema gaseoso en el que la distribución de energías se ha invertido: una gran fracción de partículas posee altas energías, mientras que solamente una pequeña fracción posee baja energía. Matemáticamente esto se corresponde con una transición a temperaturas negativas. Según Ulrich Schneider, “la distribución de
Boltzmann invertida es la marca distintiva de las temperaturas absolutas negativas, y eso es lo que hemos logrado“. Pero el gas no está más frío. Al contrario, está más caliente. De hecho, más caliente que cualquier posible temperatura positiva. La escala de temperaturas simplemente no termina en el infinito. De ahí, salta
a menos infinito, y sigue subiendo con valores negativos hasta llegar de nuevo al cero absoluto.
Ilustración del paso de temperaturas positivas (izquierda) a temperatura infinita (centro), y de ahí a temperaturas absolutas negativas (derecha).
Esto lo ilustran con la analogía mostrada en la figura: a temperaturas positivas normales, las partículas se hallan en el pozo de la primera imagen, siendo más probable que las partículas estén cerca del centro del pozo (temperaturas más bajas) que lejos. Al añadir energía, para aumentar la temperatura, se permite a las particulas alcanzar regiones cada vez más elevadas. Al calentar el gas hasta temperatura infinita se hace que todo el espacio de temperaturas sea equiprobable. Si se sigue añadiendo energía, las partículas se calentarán aún más, pudiendo alcanzar estados energéticos mayores que a temperatura infinita. La distribución de Bolztmann se invertirá, y obtendremos temperaturas negativas. La aparente contradicción de que a temperaturas negativas las partículas posean más energía (en
promedio) que a temperaturas positivias proviene de la definición tradicional de temperatura. Si ésta definición fuese otra, no existiría tal aparente contradicción.
En general es imposible que un sistema natural alcance la mostrada inversión de población en la distribución de energías, dado que significaría la absorción de una cantidad infinita de energía. Pero si el sistema tienen una cota superior en la energía que pueden alcanzar sus partículas, la situación es completamente diferente.
Este es el escenario que han creado Immanuel Bloch y Ulrich Schneider, a partir de las teorías de Allard Mosk y Achim Rosch. La existencia de temperaturas negativas abre un inmenso universo de posibilidades. Por ejemplo, la posible creación de máquinas térmicas con eficiencias por encima del 100%. Esto no significa una violación de la conservación de la energía; simplemente significa que la máquina podría absorber energía no sólo del foco caliente, sino también del foco frío.
Sin embargo, la posibilidad más fascinante es la derivada del hecho de que los sistemas con temperatura absoluta negativa poseen propiedades termodinámicas semejantes a las postuladas para la denominada energía oscura. Los cosmólogos postulan que la energía oscura es la responsable de la aparente aceleración de la expansión del Universo (a pesar de que debería contraerse por efecto gravitacional). Esto se observa también en las nubes atómicas con temperatura absoluta negativa, en las cuales a pesar de poseer una atracción que crea una presión negativa, debido a su temperatura negativa no sufre colapso gravitatorio.
Ver:
- Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom, Braun, S. et al., Science, 4 January 2013, Vol. 339 no. 6115 pp. 52-55, DOI: 10.1126/science.1227831.
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