límite de Carnot

Una partícula está en un pozo de energía, como un guisante en un hoyuelo. Para salir, necesita superar una barrera, y normalmente eso ocurre rara vez: cuanto más alta es la barrera, más hay que esperar. La ley de Arrhenius dice que el tiempo de espera crece exponencialmente, es decir, duplicar la altura de la barrera aumenta el tiempo cientos de veces.

Un superconductor es un material en el que la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se comprime ligeramente, como un resorte, sus propiedades cambian. Los científicos llevaban tiempo queriendo medir cuánto calor absorbe un material así comprimido, pero los instrumentos no cabían en el reducido montaje.

En una cámara ultrafría chocan dos nubes de átomos: unas decenas de átomos de cesio, que actúan como fluido de trabajo, y miles de átomos de rubidio, que forman el reservorio de calor.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

Un agujero negro tiene tres leyes, como un gas ideal. La primera: la energía no desaparece. La segunda: el área del horizonte de sucesos no disminuye. Y la tercera, la más caprichosa, exige que a temperatura cero la entropía (la medida del desorden) tienda a cero o a una constante universal.

En un cristal, el calor viaja en ondas. Los átomos vibran, y esas vibraciones —llamadas fonones— transportan energía desde el borde caliente hasta el frío. Durante mucho tiempo se pensó que si los fonones entraban en resonancia (sus frecuencias coincidían exactamente) y podían intercambiar energía, el calor fluiría en avalancha. Resulta que no es así.

En un horno, al subir la temperatura, las moléculas se mueven más rápido y el desorden aumenta. Con los modelos de lenguaje como ChatGPT ocurre lo contrario. Cuando los desarrolladores aumentan el parámetro de «temperatura», el modelo tiene acceso a una selección más amplia de palabras, pero sus textos largos de repente se quedan en bucle.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

El agujero negro de Kerr-NUT no es solo una aspiradora cósmica. Es una solución de las ecuaciones de Einstein en la que el agujero tiene masa, rotación y un extraño parámetro NUT. Se comporta como una carga magnética para la gravedad: aunque parece invisible, altera las propiedades del espacio circundante.

El río se bifurca. Un brazo es ancho y rápido; el agua fluye suavemente, pero al aumentar la temperatura la corriente se ralentiza: aparecen remolinos y olas. El segundo brazo es estrecho, con rápidos, donde el agua salta de piedra en piedra. Este flujo, por el contrario, se vuelve más vivo con el calor.

Una olla de agua hirviendo está cubierta con dos tapas: una interior y otra exterior. El termómetro bajo cada una muestra su propia temperatura, pero su media armónica (un modo especial de promediar en el que se suman los inversos) permanece siempre invariable. El calor parece obedecer una regla invisible.

Dentro de cada célula bulle su propia logística: diminutos motores proteicos, como mensajeros, transportan cargas a lo largo de una red de microtúbulos. Uno de los principales trabajadores es la cinesina, que avanza utilizando la energía del ATP (la principal moneda energética de la célula).

En la termodinámica clásica, las máquinas térmicas son como un músico virtuoso en el escenario: cuanto más cerca de la perfección en la ejecución (eficiencia de Carnot), más lento es el tempo (potencia).

Imaginen el agua como un salón de baile, donde cada molécula es un bailarín que entabla constantemente fugaces alianzas. Estos enlaces de hidrógeno generan patrones locales: unos recuerdan un vals remilgado —una red ordenada con vacíos (estructura de baja densidad)—, otros un frenético jitterbug, donde las parejas se apiñan en caóticos racimos densos.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros supermasivos. Uno de ellos, Sagitario A*, en el corazón de la Vía Láctea, se ha convertido en un banco de pruebas para una nueva idea. Los autores del trabajo tomaron la gravedad einsteiniana y le añadieron un campo electromagnético inusual.

Imagina una máquina de vapor donde, en lugar de un pistón de acero, está el horizonte de sucesos, y el cilindro es el propio espacio curvo. Esta metáfora se ha convertido en realidad matemática: por primera vez, los físicos han construido un conjunto completo de ciclos térmicos reversibles con un agujero negro de Schwarzschild encerrado en una cavidad esférica.

En los primeros instantes de la vida del universo, este se asemejaba a un caldero burbujeante. Al enfriarse, ocurrían transiciones de fase, algo así como cuando el vapor se convierte en agua, pero en lugar de moléculas, cambiaba el propio estado del espacio. En ese caldero nacían burbujas de la nueva fase, parecidas a las burbujas de una olla hirviendo.

La vieja pregunta sobre el demonio de Maxwell —si un ser inteligente puede burlar la segunda ley de la termodinámica y bombear calor del frío al caliente— adquiere un nuevo significado en el mundo cuántico.

El vacío nunca está completamente vacío. En un espacio curvo —por ejemplo, en un universo en expansión o cerca de un agujero negro— el vacío se calienta. Esto recuerda a la situación en la que la aceleración hace que las partículas aparezcan como de la nada: un fenómeno conocido como radiación térmica del vacío.

En el agua hirviendo agua se puede ver un prototipo del truco cuántico: si parte del líquido se convierte en burbujas de vapor de larga vida, la masa principal se enfría.

Cada invierno, el Pacífico tropical parece recordar el mismo guion: la temperatura de la superficie frente a las costas de Perú sube, los vientos alisios se debilitan y una ola de sequías e inundaciones se extiende por el planeta. Esto es El Niño, y su pico casi siempre ocurre en diciembre. ¿Por qué precisamente en invierno?

La luz solar incide sobre la materia y cada fotón expulsa un electrón. Ese es el orden habitual, por el cual las baterías comunes no pueden convertir en electricidad más de un tercio de la energía: el resto se disipa en calor.

En 1867, James Clerk Maxwell propuso una imagen que sigue inquietando a los físicos. Dos compartimentos con gas están separados por una puerta. Las moléculas se agitan caóticamente: rápidas y lentas. Un diminuto portero abre la puerta solo ante las rápidas, dejándolas pasar a un lado, y a las lentas, al otro.

Una olla de agua en el fogón tarde o temprano se tranquiliza: la temperatura se iguala, el líquido deja de burbujear. Los físicos llaman a esto equilibrio térmico: un estado en el que la energía se reparte de la manera más probable.

Una máquina térmica no tiene que ser de hierro. En el micromundo, el papel del pistón puede desempeñarlo un solo electrón, y en lugar de combustible, el propio proceso de medición. Dos "bolsillos" vecinos para electrones se conectan mediante un puente estrecho.

El vapor que se eleva sobre un metal caliente es una vista familiar en la cocina. Pero si en lugar de agua usamos rubidio, esa nube se convierte en una batería. No funciona mediante reacciones químicas, sino gracias a la coordinación cuántica de los átomos.

Un trozo de metal calentado por un extremo produce una corriente eléctrica débil: esto se sabe desde hace casi doscientos años. Pero, ¿y si en lugar de un simple metal usamos un «sándwich» de capas: un superconductor, un aislante delgado y una capa plana de electrones?

La batería cuántica funciona como una esponja que absorbe luz, pero no la libera sin un exprimido forzado. La inspiración provino de las trampas solares naturales de las bacterias: al capturar fotones solares, demostrado por espectroscopía, transmiten energía casi sin pérdidas.

Un motor térmico común es como un molino entre dos orillas de un río, una caliente y otra fría: cuanto mayor es el desnivel, más fuerte es la corriente. Aquí el desnivel es diminuto, de solo uno o dos grados, pero el agua aún puede hacer girar la rueda.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

Si haces pasar corriente por un cable, el cable se calienta. Esto lo sabe cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono. Los físicos llaman a este calentamiento efecto Joule, en honor a James Joule, quien a mediados del siglo XIX midió cuánto calor produce la electricidad.

La idea del universo en expansión, propuesta por Georges Lemaître, adquiere una analogía inesperada. El espacio se comporta como un pistón en un cilindro: la energía oscura lo empuja, como el vapor.

El agua en un vaso se enfría, el hielo se derrite y la tetera calienta la estufa: así funciona el mundo: el calor siempre va de lo caliente a lo frío. Es la segunda ley de la termodinámica, una ley que nunca se ha violado.

Un motor común quema combustible y pierde montones de energía en forma de calor: lo dictan las leyes de la termodinámica. Un motor cuántico actúa de manera diferente: su combustible no es el calor, sino un ritmo perfecto. Los físicos llaman a esa ritmicidad coherencia cuántica.

El agua siempre fluye hacia abajo, y el calor, de lo caliente a lo frío. Así lo dicta la энтропия. Pero el mundo cuántico encuentra atajos. Los físicos hicieron que partículas de luz interactuaran con un medio caliente y otro frío en una secuencia incierta, como una moneda lanzada que aún no ha caído.

Los átomos, como un enjambre de luciérnagas, brillan al unísono. Cuando destellan simultáneamente, la luz se amplifica enormemente: cien átomos brillan diez mil veces más que uno solo. Los físicos han convertido este truco en un motor térmico. Un motor común necesita una fuente caliente y otra fría, pero aquí los átomos funcionan solo con una fría.

Una orquesta sin director, donde cada músico solo escucha el eco de la sala, puede crear una melodía poderosa. Así funciona la batería cuántica: muchas partículas inmersas en un entorno cálido no dispersan el calor, sino que lo intercambian de forma sincronizada. En lugar de caos, surge una carga ordenada.

Un termómetro sumergido en una muestra normalmente solo informa de la temperatura. Pero si la temperatura oscila ligeramente y la muestra responde con retraso, en esa respuesta se esconde algo más: la parte imaginaria de la capacidad calorífica, que, según se ha descubierto, sabe escuchar el eco cuántico del tiempo.

Una máquina térmica es como un velero: para avanzar necesita un gradiente. Normalmente, es la diferencia de temperatura entre el reservorio caliente y el frío. Pero, ¿y si el propio reservorio se moviera? El viento que hincha las velas no solo se debe a la diferencia de presiones, sino también al movimiento de las masas de aire.

Dos cúbits, que son bits cuánticos, sistemas de dos niveles, se deslizan a través de baños térmicos, uno caliente y otro frío. Uno se mueve a 0,8 veces la velocidad de la luz. En ese momento, la termodinámica convencional se resquebraja: un cúbit en movimiento percibe la temperatura de manera distinta a uno en reposo.