Cerca del cero absoluto - V. Edelman - Patricio …

1 Prefacio Rara vez nos damos cuenta de lo importante que son las bajas temperaturas en nuestra vida. Sin embargo, el cosmos que nos rodea es un gigantesco refrigerador natural, el cual evita que nos abrasen los rayos incandescentes del Sol. Pero tambi n el fr o creado artificialmente por el hombre encontr un sinn mero de aplicaciones, tales como, por ejemplo, la obtenci n de ox geno para la metalurgia moderna, la construcci n de enormes imanes superconductores destinados a aproximar la realizaci n de la s ntesis termonuclear controlada, el surgimiento de una nueva rama de la medicina la criocirug a y la producci n de aparatos de alta sensibilidad para detectar las radiose ales y medir los campos magn ticos y, en perspectiva, la creaci n de m quinas calculadoras de una nueva generaci n, as como muchas aplicaciones m s.

2 Antes de que todo esto se convirtiera en realidad, los cient ficos tuvieron que estudiar los fen menos f sicos que surgen en la regi n de las temperaturas cercanas al cero absoluto . Qu los oblig a dedicarse a tal actividad? En la primera etapa no fueron consideraciones de utilidad pr ctica. Y en realidad, qui n se atrever a a afirmar que Heike Kamerlingh Onnes1 quer a obtener helio l quido para enfriar sistemas magn ticos superconductores, si en aquel tiempo nadie conoc a la superconductividad? La fuerza motriz fue la curiosidad, y la recompensa, el sentimiento de satisfacci n de llegar a conocer algo que antes nadie conoc a. Por qu las bajas temperaturas atraen la atenci n de los investigadores? 1 (Groninga, Pa ses Bajos, 1853-Leiden, dem, 1926) F sico holand s, descubridor del fen meno de la superconductividad.

3 De 1871 a 1873 estudi en la Universidad de Heidelberg, donde fue alumno de los f sicos alemanes Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff, y se doctor en la Universidad de Groninga (1879). De 1878 a 1882 fue profesor en la Escuela Polit cnica de Delft, puesto que dej ese mismo a o para ocupar el de profesor de f sica en la Universidad de Leiden hasta que se retir en 1923. Influido por el trabajo de su compatriota Johannes van der Waals, dedujo una de las ecuaciones de estado aplicable a los gases, que lleva su nombre. As mismo, estudi las propiedades termodin micas de los gases y l quidos en una amplia escala de presiones y temperaturas. En 1894 fund el Laboratorio Criog nico de Leiden, que actualmente lleva su nombre. Premio Nobel de F sica (1913) "por su investigaci n de las propiedades de la materia a baja temperatura, lo cual condujo al descubrimiento de la forma l quida del Helio" Descubri la casi total ausencia de resistencia al paso de la electricidad de ciertas sustancias a temperaturas cercanas al cero absoluto , fen meno conocido como superconductividad, y en 1908 consigui licuar por primera vez helio a baja temperatura.

4 La tentativa de solidificar helio no prosper hasta 1926, fecha en que W. H. Keesom, uno de sus disc pulos, logr llevar a cabo la experiencia. Pues por el hecho de que la regi n Cerca del cero absoluto result no tan muerta como se pensaba cien a os atr s: todo movimiento se interrumpe, todo se congela, y se puede poner punto final. Es completamente al rev s, en cuanto a la abundancia de fen menos f sicos que se observan al enfriar las sustancias hasta la temperatura del helio liquido y a n m s, la f sica de las bajas temperaturas puede competir audazmente con cualquier otra rama de las ciencias naturales. Los l quidos que nunca se congelan, la superconductividad (y simplemente la electroconductividad de los metales), la superfluidez, el magnetismo (que, como result , es propio de casi todas las sustancias de la naturaleza), cada uno de esos fen menos oculta decenas de sus problemas.

5 Y todas estas propiedades que se manifiestan en los cuerpos macrosc picos que contienen mir adas de part culas, pueden ser descritas solamente por las leyes de la mec nica cu ntica, es decir, por las leyes del micromundo. Pero antes es necesario aprender a aplicarlas a los sistemas grandes y obtener te ricamente las respuestas que la naturaleza nos sugiere en los experimentos. Entonces, los conocimientos obtenidos en la f sica de las bajas temperaturas pueden ser aplicados tanto al micromundo como a escalas astron micas: existe, por ejemplo, el modelo de los n cleos superfluyentes y el de las estrellas superconductoras. Pero qu es, en realidad, la f sica de las bajas temperaturas ? Se puede delimitar con precisi n este campo? M s bien, no, y la causa es muy simple: los fen menos de la naturaleza obedecen sus escalas internas y no las que les ofrecen las personas.

6 Para cada fen meno existen bajas temperaturas, tales a las que la energ a del movimiento t rmico equivale o es comparable con la energ a que determina el curso del proceso. Por ejemplo, los millones de grados hasta los que hoy se logra calentar el plasma, constituyen a n una temperatura muy baja para el reactor termonuclear. Por el contrario, la temperatura de ebullici n del helio l quido, de 4,2 K, a menudo resulta demasiado alta. Por eso se gu an por la tradici n, seg n la cual, a la categor a de bajas temperaturas pertenecen las comprendidas entre el cero absoluto y algunos grados Kelvin. Claro est que en un libro tan peque o es imposible hablar de todo lo que estudia la f sica de las bajas temperaturas. Por eso fueron elegidos los fen menos cuya naturaleza puede ser interpretada de manera relativamente sencilla.

7 Quiz s s lo la superconductividad constituya una excepci n, pero es imposible pasar en silencio tal fen meno trascendental. El material del libro presupone que el lector conoce el curso escolar de f sica, y toda lo que sale de sus l mites se describe seg n la necesidad. Parte de los c lculos se hallan formulados en forma de problemas cuyas soluciones se dan al final del libro. Algunas partes en ste pueden parecer dif ciles de entender, pero el esfuerzo mental es inevitable si se quiere penetrar en la esencia del asunto y no limitarse simplemente a la creencia de lo dicho. Cap tulo 1 UNA LEY PARA EL CAOS ..Ola y roca, Versos y prosa, hielo y llama No difieren tanto entre s . A. S. Pushkin Estas l neas no han sido extra das de un tratado cient fico, y es poco probable que sea correcta la conclusi n de que el poeta adelant a su siglo en el entendimiento de las leyes de la naturaleza.

8 Y, sin embargo,.. y, sin embargo, Pushkin ten a raz n no s lo metaf ricamente, sino tambi n en el sentido directo de la palabra. Acerca de la ola y la roca hablaremos m s tarde, ahora examinemos el caso de hielo y llama . El hielo es el s mbolo del reposo fr o, y la llama, del movimiento en rgico. Analizando esos dos polos (del calor y del fr o) en el mundo natural que nos rodea, la gente lleg a la idea del movimiento t rmico a nivel de tomos y mol culas. Como medida de dicho movimiento sirve la temperatura. Cualquiera que mire el term metro dir qu temperatura hay en la calle y sabr qu ropa ponerse para salir de su casa. Y tal nivel de conocimiento es suficiente en la vida cotidiana. Pero si a usted le interesa c mo est constituida la naturaleza, entonces lo m s probable es que tendr que pensar en lo que encierran las palabras calor y temperatura.

9 Y caer en la cuenta de que desconoce eso casi por completo, claro est , si usted no es especialista en la materia (pero entonces no vale la pena que lea este cap tulo). Naturalmente, en los manuales escolares se habla algo de la temperatura. Citemos lo siguiente: La temperatura es la medida de la energ a cin tica media del movimiento ca tico de las mol culas en los cuerpos macrosc picos . Eso difiere evidentemente, por ejemplo, de tal definici n: La velocidad es la distancia recorrida por un cuerpo en la unidad de tiempo . Aqu todo es comprensible y sencillo, existe una f rmula mediante la cual se pueden hacer c lculos. El hecho consiste en que no es nada f cil definir exactamente la temperatura, concepto corriente que todos conocen. Este tema merece un libro especial. (Por suerte, ste ya fue escrito, es el libro de Ya.)

10 Smorodinski La Temperatura , editado por Mir en 1983, de la serie F sica al alcance de todos ). Pero si queremos hablar de las bajas temperaturas, tratando de entender la esencia de los fen menos f sicos, es imposible hacerlo sin conocer las leyes generales del movimiento t rmico, las cuales establecen la relaci n cuantitativa de este ltimo con la temperatura. Es sabido que para los tomos de los gases, a la temperatura T, el movimiento de traslaci n se halla relacionado con la energ a ( ) (k = 1, x 10-23 J/K es la constante de Boltzmann). Si un gas se calienta hasta la temperatura T, la energ a de dicho movimiento aumenta en Pero, por otro lado, la variaci n de la energ a de cualquier cuerpo, al calentarlo conservando constante su volumen, se describe por su capacidad calor fica C, as que TCE Resulta que en cuanto a los gases monoat micos, el valor medido de la capacidad calor fica a raz n de un tomo constituye: para el He 1,50 k Ar 1,50 k Xe 1,50 k o sea, equivale precisamente a 3k/2.