Tercera ley de la termodinámica

En un cristal ideal de titanato de plomo, los átomos están alineados como soldados en una plaza de armas: todos los dipolos eléctricos apuntan en la misma dirección. Para girar esa formación 180 grados, según los cálculos antiguos se necesitaba una energía comparable a calentar el cristal hasta una temperatura de millones de grados.

En 1934 Jean Leray demostró que las ecuaciones de Navier–Stokes siempre tienen soluciones «en sentido generalizado». Si la solución sigue suave o puede romperse en una singularidad, no lo supo, y nadie lo supo en noventa años. En 2000 el Instituto Clay incluyó la pregunta entre sus siete problemas del Milenio.

En una capa fina de cristal líquido, las moléculas suelen estar como cerillas en una caja: alineadas en una dirección, pero desordenadas: unas miran hacia arriba, otras hacia abajo. Para conseguir que todas las cerillas miren en la misma dirección, se necesita una disposición especial de las moléculas. Los científicos han encontrado un truco químico que lo logra casi automáticamente.

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.

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.

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.

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.

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 siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Una sala abarrotada donde los bailarines se deslizan sin la menor fricción, atravesándose unos a otros sin tocarse. Eso es un líquido superfluido. En la corteza de una estrella de neutrones, los neutrones podrían comportarse así, pero una rígida red de iones se lo impide, como si de repente la pista de baile se llenara de postes muy juntos.

Una rosquilla matemática —un toro— se instaló en la frontera de un mundo tridimensional donde actúa la gravedad. Se puede arrugar y estirar, y los físicos decidieron comprobar cómo se comporta. Dentro de este mundo, el espacio puede ser plano, como una mesa; expandirse, como una burbuja de jabón; o curvarse como una silla de montar. La frontera con forma de rosquilla no quiso permanecer lisa.

El plutonio es un metal con carácter. Una de sus formas se contrae al enfriarse, otra se hincha. Pero a temperatura ambiente la aleación se comporta de manera extraña: la regla dice una cosa y los rayos X dicen otra. La regla indica que la muestra apenas crece, mientras que los rayos X ven cómo los átomos de la red cristalina se separan cada vez más.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan núcleos, sino también protones individuales. Incluso en sistemas tan pequeños se observa un comportamiento colectivo, similar al flujo de un líquido.

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.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

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.

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.

Frágil como hielo en un horno, el entrelazamiento cuántico normalmente muere ante el más mínimo calor. Cerca de un agujero negro, donde el espacio está curvado por la gravedad de Einstein y la radiación de Hawking calienta, cualquier enlace debería romperse.

Un cubo de tantalato de potasio se comporta como un dieléctrico ordinario: no almacena campo eléctrico. Pero si se cultiva este material como una película fina sobre un sustrato de otro cristal, todo cambia. Las redes cristalinas de la película y del sustrato no coinciden en tamaño, y la película se ve obligada a adaptarse: se comprime un 2,1 por ciento.

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.