Incluso el vacío del espacio aparentemente vacío no está completamente frío.
El Universo nació hace unos 13.800 millones de años en un estado tan caliente y denso que la radiación sobrante todavía impregna cada uno de sus rincones.
La temperatura media de fondo del espacio ronda los 2,7 kelvin, es decir, -270,45 grados Celsius o -454,81 Fahrenheit.
Ahora, los científicos han creado algo con una temperatura equivalente 280 mil millones de veces más baja, rompiendo el récord anterior en la búsqueda de la humanidad por acercarse lo más posible al cero absoluto.
A bordo de la estación espacial china Tiangong en órbita terrestre, los físicos han alcanzado una temperatura equivalente récord de sólo 9,7 picokelvins (o 0,0000000000097 kelvins), “que es, hasta donde sabemos, la temperatura equivalente más baja jamás medida”, escriben los investigadores en un artículo publicado en Science.
El cero absoluto (o cero kelvin) es el límite inferior teórico que la temperatura puede alcanzar en el Universo. En ese punto, la energía térmica físicamente no puede caer más bajo. Es como la velocidad de la luz: un límite fundamental que las leyes de la física simplemente no pueden cruzar.
Sin embargo, a diferencia de la velocidad de la luz, el cero absoluto es imposible de alcanzar. Cuanto más se acercan los científicos, más difícil resulta eliminar la energía térmica restante, hasta que alcanzar el límite requeriría un proceso de enfriamiento que nunca podría completarse.
Pero eso no ha impedido que los físicos lo intenten, y cuanto más se acercan, más extraña comienza a comportarse la materia.
Uno de los mejores ejemplos es el condensado de Bose-Einstein, un estado exótico de la materia que se forma cuando ciertos átomos se enfrían a temperaturas de apenas fracciones de grado por encima del cero absoluto.
En estos extremos, los átomos comienzan a comportarse colectivamente, y sus estados cuánticos individuales se fusionan en un todo único y coherente. Dejan de actuar como un conjunto de partículas separadas y, en cambio, funcionan casi como un enorme objeto cuántico.
Debido a que los efectos cuánticos suelen ser más evidentes en la escala atómica, los condensados de Bose-Einstein permiten a los científicos estudiar el comportamiento cuántico a una escala mucho mayor, en lugar de intentar observarlo en átomos individuales.
También se pueden utilizar para realizar mediciones extraordinariamente sensibles del mundo físico, lo que podría ayudar a los científicos a investigar algunas de las leyes fundamentales que gobiernan el Universo.
Pero producir condensados de Bose-Einstein no es fácil, y aquí en la Tierra, el proceso se topa con un límite ineludible: la gravedad, que hace cada vez más difícil enfriar los átomos hasta tales extremos.
Entonces, los investigadores llevaron su experimento a un lugar donde la gravedad plantearía un problema mucho menor: el espacio.
No son los primeros. La NASA creó el primer condensado de Bose-Einstein en órbita a bordo de la Estación Espacial Internacional en 2018, enfriando una nube de átomos de rubidio a 100 nanokelvins.
Desde entonces, otros han ido aún más lejos, con el récord anterior de 38 picokelvins logrado durante un experimento de caída libre en la Torre de Caída de Bremen en Alemania, descrito en un artículo de 2021.
El nuevo experimento, dirigido por los físicos Xiaoji Zhou y Xuzong Chen de la Universidad de Pekín, y Weibiao Chen de la Academia de Ciencias de China, aprovechó el entorno prolongado de microgravedad para ampliar aún más los límites del enfriamiento.
Como muchos otros antes que ellos, los investigadores comenzaron con una nube de átomos de rubidio-87, un isótopo del elemento particularmente adecuado para el enfriamiento por láser y la creación de condensados de Bose-Einstein.
Usaron láseres para enfriar los átomos, confinados en una trampa óptica en un aparato llamado Cold Atom Physics Rack.
Luego, aplicaron una técnica llamada enfriamiento por evaporación, en la que se deja escapar a los átomos más energéticos, dejando a los átomos restantes con menos energía. Es como si el café se enfriara mientras sus moléculas más energéticas escapan en forma de vapor.
Aquí, sin embargo, la gravedad volvió a ser un problema. En la Tierra, la gravedad puede ayudar en este proceso alejando los átomos que escapan de la trampa. En órbita, donde todo está en continua caída libre, falta esa ayuda.
Entonces, habiendo viajado al espacio para deshacerse de la gravedad, los investigadores tuvieron que encontrar una manera de recrear la gravedad.
Lo hicieron aplicando un gradiente de campo magnético que imitaba el efecto de la gravedad sobre los átomos, permitiendo que los más energéticos escaparan de manera más eficiente.
En este punto, el experimento contenía un condensado de Bose-Einstein de alrededor de 20.000 átomos de rubidio, enfriado a una temperatura de sólo 3,1 nanokelvins.
Pero los investigadores no habían terminado.
Transferieron el condensado a una segunda trampa más ancha hecha de luz láser, luego debilitaron gradualmente la trampa, permitiendo que la nube de átomos se extendiera y reduciendo la energía que liberaría a medida que se expandiera.
Finalmente, apagaron la trampa por completo y observaron cómo la nube se dispersaba.
Se expandió tan lentamente que los investigadores aún pudieron detectar los átomos siete segundos después de su liberación.
Al medir la rapidez con la que se extendió la nube, el equipo calculó su temperatura equivalente: un récord de 9,7 picokelvins.
Esta no es exactamente la misma que la temperatura convencional. En cambio, la temperatura equivalente describe la energía asociada con la expansión de la nube. Se trata de ver qué tan lentamente se mueven los átomos, usar ese movimiento para determinar cuánta energía tienen y expresar esa energía en kelvins.
Y para los científicos que esperan utilizar estas nubes de átomos para realizar mediciones extraordinariamente precisas, esa distinción es importante. Cuanto más lentamente se dispersen los átomos, más tiempo podrán observarse y manipularse, y más sensibles pueden volverse esas mediciones.
No se trata sólo de establecer récords de temperatura. El resultado también tiene algunas implicaciones realmente interesantes para futuras investigaciones.
Una aplicación particularmente prometedora es la interferometría atómica, que explota las propiedades ondulatorias de los átomos para medir cambios extraordinariamente pequeños en su entorno.
Con más tiempo para observar los átomos, los científicos podrían construir instrumentos más sensibles para probar la física fundamental, incluido el principio de equivalencia: la idea de que la gravedad afecta a todos los objetos por igual, independientemente de su masa o composición.
La capacidad de producir gases cuánticos ultrafríos en el espacio también podría permitir a los investigadores explorar estados exóticos de la materia que son difíciles de estudiar en laboratorios de la Tierra.
“Esta plataforma ultrafría totalmente óptica… cumple con los requisitos exigentes para la simulación cuántica y la metrología de precisión en futuras misiones espaciales, lo que la posiciona para avanzar en dos fronteras científicas principales”, escriben los investigadores.
La investigación ha sido publicada en Science.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.