Ley cero de la termodinámica

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.

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.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

Tira una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. De manera similar, cualquier cuerpo, incluso el más pequeño, perturba el campo gravitatorio a su alrededor. En el vacío frío del espacio, estas perturbaciones, como ondas en una superficie tranquila, hacen que dos objetos cercanos siempre se repelan.

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.

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.

En un cristal, el calor viaja en ondas. Los átomos vibran, y esas vibraciones —llamadas fonones— transportan energía desde el borde caliente hasta el frío. Durante mucho tiempo se pensó que si los fonones entraban en resonancia (sus frecuencias coincidían exactamente) y podían intercambiar energía, el calor fluiría en avalancha. Resulta que no es así.

El agujero negro de Kerr-NUT no es solo una aspiradora cósmica. Es una solución de las ecuaciones de Einstein en la que el agujero tiene masa, rotación y un extraño parámetro NUT. Se comporta como una carga magnética para la gravedad: aunque parece invisible, altera las propiedades del espacio circundante.

Una olla de agua hirviendo está cubierta con dos tapas: una interior y otra exterior. El termómetro bajo cada una muestra su propia temperatura, pero su media armónica (un modo especial de promediar en el que se suman los inversos) permanece siempre invariable. El calor parece obedecer una regla invisible.

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.

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.

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.

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

Nuestro universo no solo se expande: lo hace cada vez más rápido. Es como una masa con pasas en el horno: las pasas se alejan unas de otras, y cuanto más lejos ya han volado, más rápido continúan separándose. La extraña fuerza que empuja el cosmos recibió el nombre de energía oscura.

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.

Un cubo de hielo en té caliente se derrite exactamente a cero grados. ¿Y si el hielo estuviera hecho de partículas subatómicas y el té fuera materia nuclear ardiente?

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.

Los físicos han dominado un elegante truco matemático que permite traducir las ecuaciones de la gravedad al lenguaje de la electricidad. Este método —la doble copia— funciona como una especie de diccionario: sustituye la compleja geometría de la curvatura del espacio-tiempo, descrita por campos tensoriales de alta…

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.

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.

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.

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.

Según la mecánica clásica, el electrón en un átomo debería girar en espiral alrededor del núcleo y caer rápidamente sobre él, como un surfista que pierde velocidad y se cae de la tabla. Pero los átomos viven miles de millones de años. Porque el cosmos no está vacío. Incluso en el vacío absoluto hay un mar electromagnético invisible: el campo de punto cero.

Una cadena caliente de átomos alineados se comporta como un diminuto agujero negro. Esta cadena es una fila de partículas, cada una de las cuales se asemeja a un pequeño imán. A temperatura normal, los imanes se voltean de forma caótica, pero si se enfrían, se alinean en un orden único.

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.

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.

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.

Diminutas partículas con forma de flor son capaces de hacer dos cosas a la vez: calentarse y avisar de lo calientes que están. No es ciencia ficción, sino el resultado de trabajar con nanopartículas de ferrita de cobalto, un material magnético que reacciona ante un campo magnético.

Los dispositivos cuánticos suelen mantenerse en criostatos, grandes termos donde la temperatura es más baja que en el espacio exterior. Un ion de erbio atrapado en una diminuta trampa sobre un chip de silicio rompe esta tradición.

El núcleo de hielo de la Antártida es una máquina del tiempo que registró el clima durante 130 000 años seguidos, año tras año, sin interrupciones. En las burbujas de aire atrapadas en el hielo se ha conservado el dióxido de carbono de aquellas épocas.

La forma habitual de congelar una célula viva se parece a intentar ponerle un traje espacial: primero hay que introducir la sustancia protectora, pero mientras esta atraviesa la membrana, la célula puede reventar por el cambio de sales o intoxicarse con la química.

El agua en un vaso se enfría, el hielo se derrite y la tetera calienta la estufa: así funciona el mundo: el calor siempre va de lo caliente a lo frío. Es la segunda ley de la termodinámica, una ley que nunca se ha violado.

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.

La luz común se dispersa en todas direcciones, pero los físicos la transformaron en algo parecido a una cinta transportadora: un flujo unidireccional que no retrocede. Para lograrlo, hicieron pasar dos haces contrarios a través de una nube de átomos de Rydberg, hinchados hasta el tamaño de una minúscula mota de polvo.

El entrelazamiento cuántico es un recurso frágil. Calienta el sistema y las fluctuaciones térmicas romperán los finos hilos de las correlaciones: a una temperatura suficientemente alta, aunque finita, el estado de Gibbs de un hamiltoniano local se vuelve separable, es decir, representable como una mezcla probabilística de productos de estados locales.

Dos telescopios miran al mismo universo y ven velocidades diferentes. Las mediciones locales de supernovas dan 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, mientras que los datos de la radiación de fondo de microondas en el modelo estándar predicen 67.36 ± 0.54.