termalización

Un lago en sequía no se vacía de inmediato. Primero aparecen en la superficie islotes de tierra firme, que se expanden, se fusionan, y solo después el agua abandona el lecho expuesto. De manera similar se comporta un cristal de mirabilita cuando pierde agua: en su superficie aparecen manchas circulares de sal anhidra que crecen en anchura y luego comienzan a profundizarse.

La temporada de baño se abre cuando el agua parece tolerable. Pero cada uno tiene su umbral: uno tiembla a veinte grados, otro nada tranquilamente a quince. Los científicos decidieron averiguar de dónde viene esta diferencia. Compararon el cuerpo del nadador con una casa que intenta conservar el calor mientras afuera sopla un viento frío.

El entrelazamiento cuántico — cuando las partículas están vinculadas de modo que el estado de una determina instantáneamente el estado de otra — suele ser algo frágil. Cualquier interferencia, como el calentamiento, rompe este vínculo. Pero, ¿qué pasa si el tiempo del observador es limitado?

Echa un cubito de hielo en un vaso de agua: en un minuto se derrite y la temperatura se iguala. Así funciona el equilibrio térmico: la energía se distribuye uniformemente y el sistema «olvida» su pasado.

El mundo cuántico no perdona el olvido. Tira una piedra a un estanque: las ondas se expanden y desaparecen, la información sobre la caída se dispersa sin dejar rastro. En mecánica cuántica es distinto: la evolución del sistema es reversible y el pasado nunca se borra del todo.

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.

En un vaso de agua, el aceite se acumula en gotas: es una separación en equilibrio dictada por la química. Pero hay sistemas donde el orden no nace del reposo, sino de un flujo constante de energía.

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.

Las lentes y espejos de vidrio parecen perfectamente lisos e inmóviles. Pero en su interior hierve una vida oculta. Los átomos en un material amorfo (una sustancia sin red cristalina) están empaquetados de manera desordenada, y este desorden crea un paisaje energético complejo, como un país montañoso con innumerables colinas y valles.

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 agua enfriada a –40 °C ocurre una pausa paradójica: el hielo hexagonal perfecto no tiene prisa por nacer. En lugar de eso, se forma una estructura desordenada con incrustaciones de capas cúbicas: una verdadera cuna para la simetría futura, llena de desorden pero ya cargada con una arquitectura oculta.

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 materia oscura es el armazón invisible que sostiene a las galaxias. Pero, ¿cómo apareció exactamente? La respuesta estándar es que las partículas de materia oscura dejaron de colisionar y se "congelaron" en la cantidad que vemos hoy. Sin embargo, hay un camino más astuto: el UFO, o congelamiento ultrarrápido.

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.

Un organismo vivo es una máquina que hace pasar energía a través de sí mismo y la convierte en calor. Este ciclo interno se denomina producción interna de entropía (una medida de la disipación de energía). Pero hace unos 2,5 millones de años, nuestros antepasados pusieron en marcha un segundo circuito: el externo. Tomaron en sus manos una piedra afilada y, más tarde, una rama encendida.

Un cruce concurrido sin semáforo. Los coches avanzan, frenan, cambian de carril — y desde fuera parece reinar el caos total. Pero si uno observa durante un rato, puede notar un ritmo: el flujo se espesa y se adelgaza.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

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.

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.

Una olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

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.

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.

Un sistema cuántico puede poseer una propiedad llamada magia. No se trata de trucos, sino de una medida de lo difícil que resulta reproducir su comportamiento en una computadora clásica. Los estados ordinarios —llamados estabilizadores— son fáciles de calcular para una computadora. Pero los estados con magia la dejan perpleja.

El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.

El plasma cósmico no es un gas tranquilo, sino una sopa hirviendo de partículas cargadas atravesada por campos magnéticos. Estos campos se comportan como gomas elásticas tensadas: a veces se rompen y de inmediato se vuelven a unir, pero de otra manera.

380 mil años después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente para que los electrones y protones se unieran por primera vez formando hidrógeno neutro. Aunque este evento se llama recombinación, en realidad fue el primer encuentro: hasta entonces, el calor impedía que las partículas se aglutinaran.

El frigorífico magnético del futuro no zumbará con un compresor. En su lugar, enfriará los alimentos gracias a que un material especial se calienta en un campo magnético y se enfría cuando el campo se retira. Este ciclo se asemeja a la compresión y expansión de un gas en un frigorífico convencional, pero en lugar de un pistón, actúa un imán.

Los sistemas físicos saben calcular. Si se construye un paisaje de colinas y valles de modo que el punto más bajo corresponda a la respuesta, el sistema rueda hasta allí solo, como una canica. El problema es que en el fondo suele haber una zona plana y la canica tarda mucho en quedarse quieta. Los autores del trabajo proponen empujar la canica hacia el lugar correcto antes de empezar.

En el mundo cuántico, el camino a la calma a veces se asemeja a una carrera paradójica: al empezar más lejos de la meta, el sistema alcanza el equilibrio más rápido. Este efecto, la versión cuántica del fenómeno Mpemba, se debe al rápido crecimiento de la entropía, la medida del desorden.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Ciertos materiales, cerca del cero absoluto, superconducen: la electricidad fluye sin pérdidas. La temperatura crítica marca el inicio. John Bardeen y sus colegas explicaron que las vibraciones atómicas unen a los electrones en pares de Cooper.

Un puñado de arena sobre una mesa vibrante es como una multitud en una pista de baile que aún mantiene el ritmo de la canción anterior cuando el DJ ya ha puesto una nueva. Los científicos hicieron saltar una fina capa de gránulos sobre una plataforma que vibraba verticalmente y cambiaron bruscamente la intensidad de la vibración.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell imaginó un pequeño demonio. Este conoce la velocidad de cada molécula de gas y abre una puerta: las rápidas a la izquierda, las lentas a la derecha. Así, sin gastar energía, surge una diferencia de temperatura, lo que parece violar las leyes de la física.

Una olla en la cocina recibe calor, pero no trabajo: el gas bajo la tapa simplemente se calienta. ¿Y si la cocina no fuera normal, sino cuántica? Entonces el calor y el trabajo pueden llegar a la vez, como de un motor que además calienta. En el nuevo trabajo se describe precisamente ese caso: un sistema clásico —por ejemplo, un péndulo o un espejito— se baña en un medio cuántico.

Un café caliente se enfría al irradiar luz invisible. Para mantener su temperatura, debe recibir exactamente la misma cantidad de luz de vuelta. Este comercio silencioso de fotones es lo que sentimos como calor estable.

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.

El cocinero salpica agua sobre una sartén caliente: las gotas chisporrotean y desaparecen, revelando al instante la temperatura, más rápido que esperar un termómetro. Un principio similar funciona en la termometría cuántica.

Para disolver azúcar rápidamente, no hace falta remover con cuidado: basta con agitar el vaso. Un principio similar funciona en los sistemas cuánticos: el ruido, que normalmente se considera una interferencia, acelera la transición al estado térmico.

El agua caliente a veces se congela más rápido que la fría: eso es el efecto Mpemba. En el mundo cuántico, todo es aún más sorprendente: un sistema que hierve en desorden (con alta entropía) puede calmarse incomparablemente más rápido que uno casi tranquilo.