30 de enero de 2014: Todo el mundo sabe que el
espacio exterior es frío. En la gran distancia que hay entre las
estrellas y las galaxias, la temperatura de la materia gaseosa cae
rutinariamente a 3 Kelvin o 454 grados Fahrenheit bajo cero (270 °C bajo
cero).
Pero está a punto de tornarse aún más frío.
Investigadores de la NASA planean crear el lugar más frío del universo
en el interior de la Estación Espacial Internacional (EEI, por su acrónimo en idioma español).
“Vamos a estudiar la materia a temperaturas mucho más frías que
las que se encuentran de manera natural”, dice Rob Thompson, del
Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory o JPL, por
su sigla en idioma inglés). Él es el científico del proyecto denominado
Laboratorio de Átomos Fríos (Cold Atom Lab, en idioma inglés), de la
NASA, un “refrigerador” atómico cuyo lanzamiento hacia la EEI está
programado para el año 2016. “Nuestro objetivo es bajar las temperaturas
efectivas hasta 100 pico-Kelvin”.
Cien pico-Kelvin es sólo una diez
mil millonésima de
grado sobre el cero absoluto, cifra a la cual, en teoría, se detiene
toda la actividad térmica de los átomos. A temperaturas tan bajas, los
conceptos comunes de sólido, líquido y gaseoso ya no son relevantes. Los
átomos que interaccionan justo por encima del umbral de energía cero
crean nuevas formas de materia que son esencialmente...
cuánticas.
La mecánica cuántica es una rama de la física que describe las
reglas extrañas de la luz y de la materia a escalas atómicas. En ese
ámbito, la materia puede estar en dos lugares a la vez, los objetos se
comportan como partículas
y ondas, y nada es seguro: el mundo cuántico funciona sobre la base de la probabilidad.
Y los investigadores que utilizan el Laboratorio de Átomos Fríos se adentrarán en este extraño mundo.
“Vamos a comenzar”, dice Thompson, “con el estudio de los condensados de Bose-Einstein”.
En 1995, los investigadores descubrieron que si tomamos un par de
millones de átomos de rubidio y los enfriamos cerca del cero absoluto,
se fusionarán en una sola ola de materia. El truco funcionó con el sodio
también. En 2001, Eric Cornell, del Instituto Nacional de Estándares y
Tecnología (National Institute of Standards & Technology, en idioma
inglés), y Carl Wieman, de la Universidad de Colorado, compartieron el
Premio Nobel con Wolfgang Ketterle, del Instituto de Tecnología de
Massachusetts (Massachusetts Institute of Tecnology o MIT, por su
acrónimo en idioma inglés) por su descubrimiento independiente de estos
condensados, que Albert Einstein y Satyendra Bose predijeron a
principios del siglo XX.
Si creamos dos BEC (condensados de Bose-Einstein) y los juntamos,
no se mezclan como un gas común. En cambio, pueden “interferir” como las
ondas: las delgadas capas paralelas de materia están separadas por
finas capas de espacio vacío. Un átomo en un BEC puede sumarse a un
átomo en otro BEC y producir… ningún átomo, en absoluto.
“El Laboratorio de Átomos Fríos nos permitirá estudiar estos
objetos posiblemente a las temperaturas más bajas de la historia”, dice
Thompson.
El laboratorio es también un lugar donde los investigadores pueden
mezclar gases atómicos súper fríos y ver qué sucede. “Las mezclas de
diferentes tipos de átomos pueden flotar juntas casi completamente
libres de perturbaciones”, explica Thompson, “lo que nos permite
realizar mediciones sensibles de interacciones muy débiles. Esto podría
llevar al descubrimiento de interesantes y novedosos fenómenos
cuánticos”.
Y la estación espacial es el mejor lugar para realizar esta
investigación. La microgravedad permite a los investigadores enfriar
materiales a temperaturas mucho más frías que las que son posibles en el
suelo.
Thompson explica por qué:
“Es un principio básico de la termodinámica que cuando un gas se
expande, se enfría. La mayoría de nosotros tenemos experiencia de
primera mano con esto. Si rociamos una lata de aerosol, la lata se
enfría”.
Los gases cuánticos se enfrían en gran parte de la misma manera.
En lugar de una lata de aerosol, sin embargo, tenemos una ‘trampa
magnética’.
“En la EEI, estas trampas se pueden volver muy débiles debido a
que no tienen que soportar los átomos en contra de la fuerza de la
gravedad. Las trampas débiles permiten que los gases se expandan aun más
y se enfríen a temperaturas más bajas que las que son posibles en el
suelo”.
Nadie sabe a dónde conducirá esta investigación fundamental.
Incluso las aplicaciones “prácticas” enumeradas por Thompson (sensores
cuánticos, interferómetros de ondas de materia y láseres atómicos, sólo
para nombrar unas pocas) suenan a ciencia ficción. “Estamos entrando a
lo desconocido”, dice.
Los investigadores como Thompson ven al Laboratorio de Átomos
Fríos como una puerta hacia el mundo cuántico. ¿Pero podría la puerta
abrir en ambas direcciones? Si la temperatura desciende lo suficiente,
“vamos a poder ensamblar paquetes de ondas atómicas del grosor de un
cabello humano; es decir, lo suficientemente grandes como para que el
ojo humano los pueda ver”. Una criatura de la física cuántica habrá
ingresado en el mundo macroscópico.
Y entonces comienza la
verdadera diversión.
Para obtener más información sobre el Laboratorio de Átomos Fríos, visite:
coldatomlab.jpl.nasa.gov
