termodinámica

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.

En el mundo cuántico, un hecho se vuelve objetivo cuando su valor queda impreso en múltiples fragmentos independientes del entorno, como un anuncio pegado en cientos de tablones por toda la ciudad. Cada copia por sí sola no añade información nueva, pero cambia las reglas del juego para quien intenta borrar esa información.

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.

El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá. Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.

Miles de millones de pequeños motores zumban dentro de cada ser vivo. Las células bombean sustancias sin parar, queman azúcar, construyen nuevas proteínas — y todo ese movimiento invisible nos calienta desde dentro. Para mantener el orden, la vida debe disipar calor al entorno, como una estufa que nunca se apaga.

El azúcar se disolvió en el té y, de repente, con un solo movimiento, volvió a juntarse en la cuchara. En una cocina normal, esto no se ve: la viscosidad y el desorden lo impiden. Pero en el mundo de los movimientos ultralentos, donde la inercia desaparece, trucos así se vuelven realidad.

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Una tetera se enfría sobre la mesa. El calor se escapa al aire y se desperdicia. Sin embargo, se podría exprimir un poco de electricidad de ese calor. Los dispositivos que logran esto se llaman generadores termomagnéticos. En su interior no hay pistones ni turbinas, solo un material que cambia sus propiedades magnéticas al calentarse y enfriarse.

Cuando los servidores de un centro de datos trabajan a plena potencia, se calientan como una plancha olvidada. Ese calor se pierde, y para enfriarlos se gasta aún más energía. Unos ingenieros de Alemania han propuesto aprovechar ese calor: que sea él mismo quien impulse el líquido por tubos finos, sin motores ni bombas. Su dispositivo parece una cajita plana con el fondo asimétrico.

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?

Una película de una taza rota proyectada hacia atrás parece absurda: los fragmentos no se reúnen solos para formar el todo. Esta sensación intuitiva de irreversibilidad está relacionada con el aumento de la entropía, una medida del desorden en un sistema.

El hielo en una sartén caliente no solo se derrite: también se mueve. Debajo se forma una fina capa de agua y el trozo se desliza como si estuviera engrasado. La velocidad de ese deslizamiento depende de la rapidez con la que el calor atraviesa la película de agua y de la inclinación de la pendiente.

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.

En un congelador, el agua común se convierte en hielo, pero en las células vivas ese hielo es una catástrofe: los cristales afilados desgarran las membranas como agujas que pinchan un globo. Los científicos que preservan células para la medicina han aprendido a evitar este desastre, pero cada método habla su propio idioma.

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.

En el gas ardiente de partículas cargadas —el plasma— los campos eléctricos caóticos funcionan como un colador. La partícula lenta se rodea de una nube de cargas opuestas que atenúa el campo externo. La rápida se desprende de esa coraza y recibe un impulso.

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.

Los cubitos de hielo en un vaso se derriten y el agua se mezcla por sí sola. Así se comportan muchos sistemas cuánticos: las partículas intercambian energía y, al cabo de un tiempo, el orden desaparece. Pero si añades una cucharada de miel al vaso, la mezcla se ralentiza, y con frío intenso el agua se congela en vidrio: sin red cristalina, pero también sin fluidez.

El tiempo es una carretera de sentido único: los eventos avanzan sin posibilidad de dar la vuelta. La flecha de dirección la determina la entropía, una medida del desorden que en el Universo solo aumenta, como el tráfico en hora punta. Se puede despejar un cruce, pero el atasco general solo se vuelve más denso.

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.

En 1989, John Wheeler formuló una idea audaz: «it from bit», todo lo existente proviene de la información. Durante mucho tiempo esto quedó como una metáfora elegante, pero ahora los físicos han encontrado un mecanismo concreto que convierte bits en partículas.

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.