equilibrio térmico

Una película delgada de niquelato de neodimio de quince nanómetros de espesor descansa sobre un sustrato de galato de neodimio. Por debajo de los ciento ochenta kelvin se comporta como un aislante: los electrones están encerrados en sus celdas atómicas y no pueden moverse con libertad.

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.

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.

A veces, el agua caliente se congela más rápido que la tibia; este hecho extraño se conoce como efecto Mpemba. Ahora, algo similar se ha encontrado en el mundo cuántico: un estado con entrelazamiento débil (un vínculo cuántico especial entre partículas) puede adelantar a uno más entrelazado en el camino hacia la meta.

Todo comenzó con un estiramiento. En las primeras fracciones de segundo, el universo se infló —los físicos llaman a esto inflación. Luego, la expansión vertiginosa dio paso a una fase en la que la energía del campo se transformó en partículas ordinarias.

El viento lleva el polen, y cada grano de polen se mueve como si fuera independiente. Pero cuando el aire se arremolina en un torbellino, las trayectorias del polen ya no se pueden separar: están enredadas.

A veces, una taza de café caliente se congela más rápido que el agua fría del grifo. Esta paradoja, conocida como efecto Mpemba, durante mucho tiempo se consideró una curiosidad de la física clásica. Ahora, su análogo cuántico ha ayudado a probar y ajustar procesadores cuánticos, dispositivos que algún día podrían ser la base de computadoras ultrapotentes.

El agua caliente a veces se congela más rápido que la fría. Del agua hirviendo se forma hielo antes. Esta paradoja, descubierta por el estudiante Erasto Mpemba, inquietó durante mucho tiempo a los físicos. Resultó que cuanto más lejos está un sistema del equilibrio, más rápido lo alcanza. El efecto Mpemba sigue siendo controvertido: hay demasiadas variables y es difícil de reproducir.

Un corredor va por detrás del líder, pero llega primero a la meta. En el mundo cuántico, esta proeza la realizó un sistema de espines nucleares — las diminutas agujas magnéticas de los átomos de carbono-13 en un diamante.

El efecto Mpemba es un enigma: el agua caliente a veces se congela más rápido que la tibia. Normalmente se relaciona con cómo el agua pierde calor y entropía (medida del desorden). Pero en un vaso de agua, el caos impide un modelo preciso. Los físicos construyeron un modelo cuántico: una partícula en un pozo con dos huecos separados por una barrera.

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.

El clásico paradoja de Mpemba — el agua caliente se congela más rápido que la fría — ha intrigado a los científicos durante siglos. Recientemente, la mecánica estadística de no equilibrio explicó que todo depende de las condiciones de frontera; el sistema parece buscar una excusa para «chocar contra la pared» y acelerar el enfriamiento.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

Un terrón de azúcar arrojado al té se disuelve y pronto todo el líquido queda igualmente dulce. Este camino hacia el equilibrio es tan familiar que parece obvio.

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.

A veces, el agua en una taza caliente se congela más rápido que en una tibia. Esta paradoja tiene más de medio siglo y se llama efecto Mpemba. Por lo general, se atribuye al movimiento del líquido o a la evaporación. Ahora, los físicos han demostrado que un truco similar es posible sin agua, simplemente mediante la emisión de calor.

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.

A veces, un vaso de té caliente se enfría más rápido que uno tibio. Esta paradoja, conocida como efecto Mpemba, durante mucho tiempo se consideró una rareza del mundo de los líquidos. Pero los físicos la han encontrado donde nadie la esperaba: en la débil luminiscencia de películas orgánicas sometidas a un campo magnético.

El foco está en un agujero negro, pero no uno cualquiera. Lleva un monopolo magnético y está rodeado por un dilatón: un campo que desdibuja los límites habituales del espacio. Los autores comprobaron cuán estable es este sistema frente a sacudidas térmicas.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Es una región con una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Pero si lo colocamos en un fluido ideal de materia oscura y le añadimos una nube de cuerdas —finos hilos tensados a lo largo de todo el espacio—, el panorama se complica.

El agua caliente a veces se congela antes que la fría: es el efecto Mpemba. En el mundo cuántico se observa una paradoja similar: cuanto más se altera el equilibrio, más rápido se restablece.

Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo colapsa bajo su propio peso. En su interior se forma un agujero negro: una región donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Durante mucho tiempo se pensó que en el mismo centro se escondía un punto de densidad infinita: la singularidad.

En una olla de sopa, cada grano es un diminuto imán que quiere orientarse en dirección opuesta a su vecino. Calienta la sopa y los imanes empezarán a agitarse, obedeciendo al calor. Pero, ¿cómo saber cuán desobedientes son a cada temperatura? Para una sustancia ordinaria, esto se calcula en potentes computadoras, probando todas las opciones.

El té caliente en el congelador no se cubre de hielo de inmediato. Primero, diminutas agujas de hielo se agitan en él: aparecen y se derriten hasta que la temperatura baja lo suficiente para que el hielo se fije por completo. Más o menos así se comportaba el universo temprano cuando se enfriaba y cambiaba su estructura interna.

El agua común agua se congela como se espera. Pero a veces, la caliente se convierte en hielo más rápido que la fría: el efecto Mpemba. Recientemente, se encontró una violación similar de las reglas en el entrelazamiento cuántico, esa conexión invisible entre partículas descubierta por Erwin Schrödinger.

Si metes dos termómetros idénticos en una olla con agua caliente, marcarán lo mismo, y nos tranquilizamos: la temperatura está bien medida. Pero en un gas enrarecido calentado a millones de grados, este truco deja de funcionar. Aquí las partículas casi no chocan entre sí, por lo que los electrones más rápidos se escapan, mientras que los lentos se acumulan en el centro.

En una olla de sopa hirviendo, de vez en cuando saltan pequeñas gotas de grasa, cien veces más calientes que el caldo. Así es más o menos el futuro plasma de fusión: la mayor parte de los iones se calienta a cientos de millones de grados, y una pequeña impureza de partículas 'rápidas' (nacidas de la fusión de núcleos) está aún más acelerada.

Una olla de sopa olvidada en la estufa se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente. Parece que todo ha llegado al reposo. Pero si uno mira dentro con una lupa cuántica, descubre que las moléculas de agua no se han congelado: continúan su danza. Solo que ahora esa danza se ha vuelto uniforme, no turbulenta como cuando hervía.

Desde tiempos inmemoriales, los físicos sueñan con túneles que atraviesan el cosmos: agujeros de gusano capaces de conectar rincones lejanos del Universo en instantes.

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.

En la superficie de una esferita diminuta viven dos campos invisibles, como dos tipos de ondas en una burbuja de jabón. Estos campos no solo oscilan por sí mismos: se influyen mutuamente de manera constante, como músicos que tocan al unísono. En el nuevo trabajo, los físicos derivaron ecuaciones exactas que describen cómo estas ondas cambian con el tiempo, se calientan y transitan al caos.

Cientos de personas en una pista de baile están a igual distancia unas de otras: un orden estricto, como en una red cristalina. La música lenta son las vibraciones térmicas, que hacen que los bailarines empiecen a balancearse ligeramente. Si la música se vuelve más fuerte y rápida, el orden se derrumba: todos se mezclan.

El té caliente se enfría y su temperatura es la misma en toda la taza. Pero en muchos sistemas —por ejemplo, en el gas enrarecido entre las estrellas o en el plasma— la temperatura no es constante: en un lugar las partículas van más rápido, en otro más lento.

Un autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

Una olla de aluminio en la estufa se derrite a 660 grados Celsius, eso lo sabe cualquiera. Pero, ¿qué pasa si se calienta el aluminio cien veces más? El líquido empezará a hervir, y aquí comienza el enigma: ¿a qué temperatura exacta ocurre?

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 superconductividad es cuando la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Normalmente aparece a temperaturas muy bajas, pero hay materiales donde surge a temperaturas más altas.

Una trampa magnética con forma de rosquilla confina un plasma de boro e hidrógeno. En su interior, la temperatura supera los cien millones de grados, más que en el centro del Sol. Con ese calor, los núcleos chocan y se fusionan, liberando energía.

El efecto Mpemba sorprende: el agua caliente agua a veces se congela más rápido que la fría. Los científicos crearon un modelo simple: una bolita en un medio espeso como la miel, en un paisaje con dos depresiones y una pared en un extremo. La bolita se mueve con viscosidad, sin saltar la colina central.

La luz y los átomos, como bailarines, pueden moverse al unísono o en desorden. Cuando su interacción es anisotrópica —es decir, depende de la dirección—, el baile se complica.