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Ulises y la Ciencia

Desde abril de 1995, el profesor Ulises nos ha ido contando los fundamentos de la ciencia. Inspirado por las aventuras de su ilustre antepasado, el protagonista de la Odisea, la voz de Ulises nos invita a visitar mundos fascinantes, sólo comprendidos a la luz de los avances científicos. Con un lenguaje sencillo pero de forma rigurosa, quincenalmente nos cuenta una historia. Un guión de Ángel Rodríguez Lozano.

Enfriar átomos con luz láser.

Enfriar átomos con láser - Ulises y la Ciencia - cienciaes.com

Hoy Ulises habla del calor y su relación con la materia, explica cómo su verdadera esencia se hace evidente cuando descendemos hasta los componentes más íntimos de la materia: los átomos y las moléculas. La historia se le ocurrió mientras leía un artículo científico sobre el enfriamiento de los átomos con luz láser, un método que mereció la concesión del Nobel de Física a los investigadores Chu, Cohen-Tannoudji y Phillips en 1997.

La forma en la que la luz puede ser empleada para hacer descender la temperatura de las partículas de un gas merece una explicación más detenida así que hoy, rompiendo con el esquema habitual, Ulises va a dar las bases de los fenómenos físicos que intervienen en el proceso y dejará que D. Fernando Sols, Catedrático y Director del departamento de Física de los Materiales en la Universidad Complutense de Madrid explique con más detalle los fenómenos que permiten enfriar los átomos con láser.

A la temperatura ambiente, los átomos y moléculas del aire se mueven en todas las direcciones a velocidades endiabladas que rondan los 4.000 km/h. Estudiar a los pequeñísimos componentes de la materia mientras se mueven 10 veces más rápido que el más veloz bólido de carreras es una empresa muy difícil, por eso los científicos hacen lo posible por frenarlos.

Frenar el movimiento de los átomos es lo mismo que bajar su temperatura pero el proceso está cargado de inconvenientes. Uno de ellos es lo que los físicos llaman “cambio de estado”. Al enfriar un gas sus partículas van perdiendo velocidad y tienden a unirse hasta formar un líquido y después, si continuamos haciendo descender la temperatura, refuerzan sus conexiones y pasan al estado sólido. En ambos estados, líquido y sólido, las partículas, es decir, los átomos y moléculas, son más lentas, pero tienen un serio inconveniente, se sitúan tan cerca unas de otras que resulta casi imposible escoger un átomo o molécula individualmente para estudiarla. El bosque no deja ver los árboles.

Sin embargo, los físicos no se rinden y han ideado nueva estrategias para lograr su objetivo. Si la multitud es un problema, lo mejor es evitarla, es decir, descartar las aglomeraciones, eso, hablando de los átomos individuales o de las moléculas, implica extraer a la mayoría de ellas y dejar sólo unas pocas para evitar que, al hacer descender la temperatura, se unan unas a otras y cambien de estado. Dicho con otras palabras, hay que un vacío lo suficientemente elevado como para que las partículas se mantienen en estado gaseoso incluso a temperaturas bajísimas.

Como Ulises nos cuenta hoy, cuanto más lento se mueve un átomo más frío está. En teoría podríamos ir reduciendo su movimiento hasta detenerlo del todo y con ello habríamos encontrado un estado de reposo absoluto, eso sólo sería posible a la temperatura mínima que existe en la naturaleza, 273,15 ºC bajo cero, el “cero absoluto”. Como digo, el cero absoluto es una meta teórica que en la práctica resulta imposible de alcanzar, no obstante los científicos han logrado acercarse muchísimo a ella por muy diversos métodos.

Incluso a temperaturas de 270 ºC bajo cero, tan sólo tres grados por encima del cero absoluto, las velocidades de las moléculas del gas rondan todavía los 400 km/h. Solamente cuando el gas está muy cerca del cero absoluto la velocidad de sus componentes se reduce a velocidades que permiten su estudio individualizado. Los átomos de hidrógeno gaseoso necesitan estar a una millonésima de grado por encima del cero absoluto para que su velocidad descienda hasta la velocidad de una persona caminando.

El bombardeo de los átomos con fotones de luz láser permite hace que se muevan más lentos que un caracol. Esta técnica es la que explica hoy D. Fernando Sols, tras la exposición de Ulises.

PARA SABER MÁS

Enfriamiento de átomos con luz láser

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