Quina és la temperatura més baixa que pot existir?

Com el seu nom suggerix, el límit del fred se situa en el que anomenem zero absolut. Este valor és exactament 273,15 graus Celsius sota zero i es pren com l'origen de l'escala absoluta de temperatures: la escala Kelvin. Així, el zero absolut correspon a zero Kelvin, i els zero graus Celsius a 273,15 Kelvin.

Però vegem com es va poder arribar a esta xifra tan exacta (avancem que no va ser tasca fàcil).

Amontons intuïx que hi ha una temperatura mínima

A principis del segle XVIII, el físic francés Guillaume Amontons va realitzar una sèrie d'experiments amb gasos, confirmant la llei de Boyle-Mariotte. Esta llei diu que el producte de la pressió pel volum que ocupa un gas és constant a una temperatura donada. Això és, si augmentem la pressió, disminuïx el volum en la mateixa proporció. Per exemple, si dupliquem la primera, el segon es reduirà a la mitat.

Usant un termòmetre de mercuri, Amontons va demostrar que la pressió de l'aire disminuïa alhora que la temperatura. A partir d'ací va especular que si es reduïa la temperatura prou, arribaria un moment en què esta pressió seria nul·la. El científic gal va concloure que seria impossible baixar d'eixa frontera, que va estimar en 248 ºC sota zero (o -248 ºC).

Diversos científics van repetir els experiments d'Amontons o altres semblances, donant diferents estimacions del zero absolut. Per exemple, Jean-Henri Lambert ho va situar, a mitjan segle XVIII, en -270 ºC. En 1802, Louis Joseph Gay-Lussac va trobar el valor de -266,7  ºC (encara que, al contrari que Amontons o Lambert, pensava que el zero absolut no existia realment, ja que la llei dels gasos descoberta per ell no seria vàlida a baixes temperatures).

Aquells càlculs eren tan diferents perquè es van fer extrapolant dades de temperatures pròximes a la temperatura ambient. El marge d'error era molt gran. Finalment, va anar William Thomson (Lord Kelvin) qui va aconseguir tirar bé els càlculs, en 1848, i establir l'escala de temperatures que porta el seu nom, fixant el zero absolut en -273 ºC. Era un valor pràcticament idèntic a l'actual.

La carrera del fred

Durant tot el segle XIX es va produir una autèntica carrera del fred. Els científics van maldar per aconseguir en els seus laboratoris temperatures cada vegada més baixes. Michael Faraday (1791-1867) va aconseguir els -33 ºC liquant amoníac. També va aconseguir tornar líquids altres gasos com el clor o el benzé.

Louis Cailletet el consiguó en 1877 amb l'oxigen, a -140 ºC. I sis anys més tard, el científic polonés Karol Olszewski va batre el rècord liquant aire a -195 ºC.

Al final del segle XIX es va establir una certa rivalitat entre l'escocés James Dewar, Olszewski i el neerlandés Heike Kamerlingh Onnes. Dewar va trepitjar fort i es va anotar la liquació de l'hidrogen a -252,8 ºC. Però va ser Kamerlingh Onnes qui es va emportar el gat a l'aigua tornant líquid el més difícil de tots els gasos: l'heli. Ho va fer en 1908 a la increïble temperatura de -269,15 ºC.

Després de l'èxit de Dewar, Kamerlingh Onnes havia comprés que la liqüefacció de l'heli requeria grans instal·lacions i va invertir diversos anys a crear el seu laboratori de baixes temperatures. No sols disposava de taller mecànic, taller de sopladores de vidre i laboratori de química, sinó que també va crear escoles per a la formació dels professionals necessaris. El laboratori de Kamerlingh Onnes va mantindre l'exclusiva mundial de liqüefacció de l'heli durant 15 anys.

Per què és impossible aconseguir el zero absolut?

Però fins a on pot arribar esta carrera? La teoria cinètica dels gasos establix que els processos tèrmics són conseqüència del moviment microscòpic d'àtoms i molècules. Segons esta teoria, els àtoms i molècules que componen un gas es mouen aleatòriament i sense parar en totes direccions. Mentres que la temperatura és la mesura de l'agitació mitjana d'eixes molècules, la pressió indica la força que exercixen en rebotar sobre les parets que les contenen.

Des del punt de vista de la física clàssica, el zero absolut correspon al punt en què les molècules gasoses no es mouen i, per tant, no exercixen pressió sobre les parets. Però la física quàntica –la que governa el diminut món dels àtoms i les partícules– va canviar eixe panorama.

Entre les peculiaritats de la física quàntica està l'anomenat principi d'indeterminació d'Heisenberg. Esta llei prohibix que una partícula estiga en repòs, ja que llavors es coneixerien amb absoluta precisió la seua posició i la seua velocitat, alguna cosa que el principi exclou expressament. Les substàncies pures en el zero absolut tenen una energia molt xicoteta, sí, però diferent de zero.

Els treballs teòrics de Walther Nernst i Max Planck a principis del segle XX van conduir a una altra llei important: el tercer principi de la termodinàmica. Íntimament lligat amb la teoria quàntica, té com a conseqüència directa que el zero absolut és inassolible.

Però encara que no siga possible obtindre-ho estrictament, sí que és possible acostar-se a ell molt. Les tècniques actuals, que usen potents raigs làser per a frenar les molècules –aconseguint així que es refreden–, permeten obtindre temperatures de l'orde de només milionèsimes de grau per damunt del zero absolut.

La física de baixes temperatures és font contínua de nous descobriments

D'eixe mode, usant el refredament per làser, Eric Cornell i Carl Wieman van aconseguir crear en 1995 el primer condensat de Bose-Einstein, la qual cosa els va valdre el Premi Nobel de Física de 2001. Un condensat de Bose-Einstein és un estat de la matèria en el qual totes les partícules es troben en el mateix nivell quàntic: el de l'energia més baixa possible, que també es diu estat fonamental.

El condensat de Cornell i Wieman estava format per àtoms de rubidi refredats a 0,17 microkelvin, és a dir, a penes 0,17 milionèsimes de grau per damunt del zero absolut. Sens dubte, es tracta de la frontera extrema del fred.

El museu interactiu Parc de les Ciències d'Andalusia col·labora en la secció The Conversation Júnior.

Alberto Tomás Pérez Izquierdo, Catedràtic d'Electromagnetisme, Universitat de Sevilla

Este article va ser publicat originalment en The Conversation.