energía libre

Un pistón en un cilindro con gas normalmente se mueve cuando el gas empuja contra él. Pero hay un pistón que se mueve cuando hay vacío frente a él. Cada cinco segundos, revisa el espacio junto a su pared y, si no hay nadie allí, da un paso hacia adentro, comprimiendo el gas sin esfuerzo mecánico directo.

Un haz de protones dirigido a un tumor atraviesa los tejidos blandos como un cuchillo caliente en la mantequilla, pero su alcance depende de las propiedades más sutiles del agua, de la que estamos hechos en su mayor parte. El agua es el componente principal del cuerpo, y de lo rápido que los protones se frenan en ella depende dónde exactamente depositan su energía.

Un intérprete que se ha aprendido todas las réplicas de antemano responde al instante — no necesita escuchar toda la conversación de nuevo. Así funciona el nuevo modelo: no hace correr átomos en la computadora durante horas, sino que entrega de inmediato la energía libre del cristal a cualquier temperatura y presión.

El suelo no es una esponja compacta, sino un laberinto de poros de diferentes calibres. Tras la lluvia, el agua no los llena todos a la vez: primero los más estrechos, luego los más anchos. Los físicos han construido una teoría de este proceso basándose en una imagen simple: un conjunto de vasos comunicantes.

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).

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.

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.

El termostato mantiene la habitación a 20 grados. Abre la ventana en invierno y encenderá la calefacción para recuperar el equilibrio. El cerebro hace algo parecido: predice constantemente lo que ocurrirá en el instante siguiente y se corrige si se equivoca. Así aprende.

Una piedra cae en un estanque y se forman ondas en el agua. Del mismo modo, un agujero negro en reposo puede encontrarse con una onda gravitacional o una nube de gas. No permanece indiferente: su superficie (el horizonte de sucesos) se hunde ligeramente, como una membrana tensa bajo el peso de una gota.

El agua puede ser hielo, líquido o vapor. Los físicos llaman a estos estados fases. En teoría, cada fase tiene su propia medida, una forma de describir cuán probable es. Pero no toda medida que se pueda imaginar se encuentra en la naturaleza. Algunas fases son reales, mientras que otras son solo una ilusión matemática.

La música se sostiene sobre la repetición: esperamos que el acento vuelva, como vuelve el estribillo. Pero si se repite lo mismo durante demasiado tiempo, llega el aburrimiento. El compositor parece caminar sobre la cuerda floja entre lo familiar y lo inesperado. Los científicos tradujeron ese equilibrio al lenguaje de la física.

Normalmente, la corriente en un metal actúa como agua hirviendo sobre el hielo: calienta el material y destruye el orden magnético. Pero en una estructura laminar de ditelururo de wolframio y el ferromagneto Fe3GeTe2, la corriente se comporta de otra manera.

El agua descompuesta por electricidad en hidrógeno y oxígeno es un viejo sueño de combustible limpio. Pero en el camino se interponen diminutas burbujas de gas: recubren los electrodos como la espuma en las paredes de un vaso de refresco y dificultan que la corriente haga su trabajo.

Un físico que analiza colisiones de partículas suele pasar semanas en trabajo aburrido: limpiar el ruido de los datos, estimar cuántas señales falsas se colarán, verificar cada cifra. Ahora esa rutina se puede delegar a un programa.

Una gota de metal líquido se desliza por un canal estrecho, como mercurio de un termómetro roto. No necesita motor: el combustible es una reacción química con el líquido circundante. Pero, ¿qué ocurre cuando la gota choca contra una pared?

Un agujero negro envuelto en materia oscura se asemeja a un remolino en agua invisible. Esta sustancia solo se manifiesta a través de la gravedad.

Un panel solar en el tejado produce poca corriente por la mañana, mucha al mediodía y nada por la noche. El viento tampoco sopla de cualquier manera: a menudo es más fuerte por la mañana y por la tarde que durante el día.

Una célula es una ciudad donde diminutos motores trabajan sin cesar. Transportan cargas, mueven cilios y hacen que los músculos se contraigan. Todo ese trabajo desprende calor, como se calienta el motor de un automóvil. Pero medir ese calor en un motor individual de unos pocos nanómetros no es tarea fácil.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

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.