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Una de las cosas más absurdas de la ciencia es que puedes pasar años estudiando y leyendo sobre los misterios más profundos del universo (la materia oscura, la gravedad cuántica, la naturaleza del tiempo) y aun así quedar atrapado por algo engañosamente simple. El físico teórico ganador del premio Nobel Richard Feynman confesó que cuando era estudiante no entendía realmente por qué los espejos giran las imágenes de izquierda a derecha en lugar de arriba y abajo. No soy ningún Feynman; Sé cómo funcionan los espejos. Pero he tenido mi propia lección de humildad con lo obvio: la temperatura.
Sabemos que las cosas pueden estar calientes o frías desde que el primer niño de las cavernas metió la mano en el fuego y un padre preocupado le gritó. Pero lo que entendemos por temperatura ha cambiado mucho a lo largo de los siglos y continúa evolucionando hoy en día, a medida que los físicos lo llevan a rincones cuánticos más extraños.
Mi propio roce con esto se produjo a través de mi compañero, quien una vez me preguntó: “Mi hermosa e increíblemente inteligente esposa, ¿no estudiaste física? Entonces dime, ¿puede una sola partícula tener temperatura?”. Puede que esté parafraseando un poco, pero esa era básicamente su pregunta.
Ahora bien, su corazonada inicial era correcta: no, no puede, en realidad no. La mayoría de los entusiastas de la ciencia saben que la temperatura no es algo que se pueda asignar a una sola partícula. La cuestión del frío y el calor sólo tiene sentido como propiedad de sistemas con muchas, muchas partículas: cosas como pistones llenos de gas, jarras de café o estrellas. Esto se debe a que la temperatura, como la definimos normalmente, es una especie de taquigrafía. Capta la energía promedio de los componentes microscópicos de un sistema una vez que han rebotado y distribuido su energía de manera uniforme, alcanzando un estado conocido como equilibrio.
Imagínelo como una escalera, en la que cada peldaño representa un nivel de energía diferente. Cuanto más alto es el peldaño, más energía tiene una partícula. Cuando hay muchas partículas, esperamos que se distribuyan a lo largo de los peldaños de manera predecible. La mayoría de las partículas se depositan cerca del fondo, unas pocas tienen suficiente energía para subir un peldaño más y menos que eso. El resultado es un número suave y decreciente de partículas a medida que se asciende en la escalera.
Pero ¿por qué definimos la temperatura de esta manera? Claro, es un promedio, pero no hay nada en matemáticas que nos prohíba tomar la media de un conjunto de datos con un solo punto. Si hay una persona alta en una habitación, no parpadeamos al decir que la altura promedio de las personas en esa habitación es 6 pies. ¿Por qué no hacer lo mismo aquí?
Es porque la temperatura no es sólo descriptiva, sino predictiva. Para los científicos que intentaban aprovechar el poder del combustible, el fuego y el vapor en los siglos XVII y XVIII, lo más útil era que la temperatura les dijera qué sucedería cuando dos sistemas interactuaran.
Eso es lo que dio lugar a la ley cero de la termodinámica, la última de estas leyes en establecerse pero la más fundamental. Dice así: si un termómetro alcanza los 80°C en una taza de agua tibia, y también alcanza los 80°C en una taza de leche tibia, entonces si mezclamos los dos líquidos, no debería haber intercambio neto de calor entre ellos. Esto puede parecer obvio, incluso banal, pero es la base de la termometría clásica.
Y sólo se cumple porque los sistemas grandes se comportan de manera estadísticamente estable. Pequeñas fluctuaciones de energía entre partículas específicas se eliminan y la ley de los grandes números nos permite escribir resultados generalizables.
La termodinámica es extraña en ese sentido. A diferencia de, digamos, las leyes del movimiento de Isaac Newton, que funcionan bien para una manzana que cae o para mil, las leyes termodinámicas sólo surgen a escala. Se basan en promedios, conjuntos y la magia matemática que ocurre cuando el recuento de partículas asciende a miles de millones.
Entonces: las partículas individuales no tienen temperatura. Caso cerrado.
O eso pensé. Pero justo cuando me sentí listo para seguir adelante, la física me lanzó una bola curva. El primer indicio claro de que las cosas están a punto de ponerse realmente extrañas es que muchos sistemas cuánticos están compuestos por muy pocas partículas que nunca tienen propiedades estables.
Los sistemas diminutos –como átomos individuales o espines singulares– pueden ser estados atrapados que nunca se asientan realmente. Algunos incluso están diseñados deliberadamente para resistir por completo el estado pacífico de equilibrio. Entonces, si se supone que la temperatura describe lo que sucede después de que las cosas se calman, ¿no se desmorona nuestra definición de temperatura?
¿Qué es exactamente la temperatura?
Imágenes fhm/Getty
Los físicos han estado trabajando arduamente para reestructurar la temperatura desde sus cimientos, considerando lo que significa tener temperatura en el reino cuántico.
Con el mismo espíritu que los pioneros de la termodinámica, los investigadores ahora no se preguntan qué es la temperatura sino qué hace. Si tomamos un sistema cuántico y lo conectamos a otra cosa, ¿en qué dirección se mueve el calor? ¿Puede el sistema calentar a su vecino? ¿Puede enfriarlo?
¡En el mundo cuántico, la respuesta puede ser ambas! Volvamos a la escalera de temperatura por la que pueden subir las partículas. En el mundo clásico, las reglas de temperatura aquí son simples. Cuando dos escaleras (dos sistemas) interactúan, la energía siempre fluye desde el sistema con más partículas en los peldaños más altos hacia el que tiene menos.
Pero un sistema cuántico no obedece las mismas reglas. Los sistemas cuánticos podrían no tener partículas en el peldaño inferior y, en cambio, tenerlas todas apiñadas en los peldaños superiores. Podrían tener distribuciones irregulares de partículas igualmente distribuidas en todos los peldaños. La superposición también hace posible que existan partículas entre los peldaños. Cuando la mecánica cuántica entra en juego, nuestra escalera ya no es lo que los físicos llaman “termalmente ordenada”.
Esto hace que sea difícil predecir cómo podría fluir el calor si una escalera interactuara con algo. Para solucionarlo, los físicos han desarrollado una solución curiosa: dejar que los sistemas cuánticos tengan dos temperaturas. Imaginemos una especie de escalera de referencia que represente un sistema térmico simple. Una temperatura le indica cuál es la escalera más caliente de la que su sistema aún puede extraer calor. El otro le indica la escalera más fría a la que su sistema puede elevar el calor. Fuera de este grupo, el calor fluye en una dirección predecible, pero dentro de él, el resultado depende de la naturaleza exacta del sistema cuántico. Es la nueva ley cero de la termodinámica, algo que puede ayudarnos a restaurar la lógica de cómo fluye el calor en el mundo cuántico.
Estos dos límites reflejan el potencial del sistema para dar o recibir energía, independientemente de si se encuentra en estado de equilibrio. Fundamentalmente, estas temperaturas dependen no sólo de la energía, sino de cómo se estructura esa energía: cómo se distribuyen las partículas o estados cuánticos en los niveles de energía y qué tipo de transiciones soporta todo el sistema.
Y al igual que sus predecesores termodinámicos, los físicos cuánticos están interesados en hacer que sus sistemas funcionen. Imaginemos dos átomos entrelazados: sus propiedades están tan estrechamente correlacionadas que medir uno afecta al otro. Ahora exponga un átomo al medio ambiente. Cuando ese átomo gana o pierde energía, tira del enlace cuántico invisible que conecta el par. Romper o degradar ese vínculo tiene un costo, como romper una banda elástica estirada. Esto crea un flujo de calor que no ocurriría sin el enlace cuántico, que luego puede aprovecharse (acoplando el átomo a un pequeño “pistón” cuántico) para realizar trabajo, hasta que se agote el entrelazamiento. Al asignar temperaturas efectivas frías y calientes a cualquier estado cuántico, los investigadores pueden determinar cuándo un sistema puede transferir calor, extraer trabajo o realizar tareas como la refrigeración y la computación de manera confiable.
Si has llegado hasta aquí, aquí tienes mi confesión: discutí con mi compañero que una sola partícula podía tener temperatura, a pesar de que su intuición era correcta. Ser un mal perdedor me envió a caer en espiral hacia una gran madriguera de conejo, y en el fondo, descubrí que ambos tenemos razón, más o menos. Una sola partícula no puede tener una temperatura, pero sí dos.
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física cuántica/Perdido en el espacio-tiempo