D’on surt la idea del zero absolut?

Per entendre que existeixi aquesta temperatura mínima a partir de la qual ja no pot fer més fred hem de recordar què és la temperatura en si: allò que anomenem temperatura no és res més que la manifestació del moviment de les partícules que formen un cos, la manifestació de la seva energia cinètica. Com més ràpid es mouen, més calent el percebem. Recorda que les partícules d’un cos, els àtoms, sempre estan en moviment; vibren, giren, es desplacen. Fins i tot les que formen un cos sòlid, encara que no ho sembli, s’estan movent. Així, quan escalfem alguna cosa, el que estem provocant al cap i a la fi és que els seus àtoms es moguin més ràpid. Hem dit que com més gran és la velocitat que portin, més elevada serà la temperatura... Ah! Però què passaria si no es moguessin gens? Just a la fusta. Acabem de topar amb el zero absolut. Perquè, és clar, estar-se més quiet que quiet, és impossible.

Una altra manera de manifestar l’existència d’aquest zero absolut, d’una forma una mica més pràctica, és comprovar que a mesura que refredem un cos, el seu volum disminueix (si la pressió es manté constant). Si mesurem aquesta disminució del volum a diferents temperatures, i realitzem una gràfica amb el volum a les ordenades (l’eix de les Y) i la temperatura a les abscisses (l'eix de les X), obtindrem una recta -mireu el dibuixet per seguir de prop l’explicació-. Extrapolant aquesta recta fins allà on les ordenades tenen valor zero topem amb la mínima temperatura possible: -273,15ºC. Perquè... Què vol dir tenir un volum zero? Per no parlar d’un volum negatiu...

Allà on la gràfica creua l'eix de les X (temperatura) trobem la temperatura en graus Celsius del zero absolut: -273,15ºC.

Inassolible

Els humans som capaços de fer molt més que la natura quan es tracta de refredar coses. Durant gairebé un segle hem estat capaços de construir refrigeradors que assoleixen temperatures inferiors als 3 graus kelvin de l’espai exterior. Actualment, fins i tot, en alguns laboratoris avançats com ara el Massachusetts Institute of Technology s’han pogut assolir temperatures de l’ordre de bilionèsims de grau kelvin (és a dir, 0,0000001 graus K). Però per què no aconseguim arribar al zero absolut? Per què no podem aturar els àtoms?

En efecte, arribar al zero absolut és del tot impossible des del punt de vista pràctic. Per entendre per què no podem arribar al zero absolut hem de recórrer al Tercer Principi de la termodinàmica. Aquest principi diu que no podem arribar al zero absolut mitjançant cap procediment que consti d’un número finit d’etapes. Què vol dir això? En altres paraules: ens hi podem acostar tant com vulguem, però mai hi arribarem del tot.

Imaginem-nos que volguéssim refredar un gas fins al zero absolut. D’entrada sabem que existeix una relació entre la temperatura i la pressió del gas, de manera que si el volum es manté constant, la pressió disminueix a mesura que el gas es refreda. Des d’un punt de vista teòric, doncs, la pressió arribaria a fer-se nul·la a la temperatura de 0 graus kelvin i les molècules deixarien de bellugar-se. Però això sabem que no pot arribar a passar mai perquè tots els gasos condensen (passen a estat líquid) per sobre d’aquesta temperatura.

Què passa a prop del zero absolut?

A temperatures properes a 0 graus kelvin, la matèria presenta propietats inusuals, com ara la superconductivitat, la superfluïdesa i la condensació de Bose-Einstein. Els materials superconductors no presenten resistència al pas de corrent elèctric quan són refredats per sota d’una temperatura determinada. Així per exemple, a 4 graus kelvin (-269ºC) el mercuri se solidifica i pot conduir el corrent elèctric sense oferir cap mena de resistència. Per la seva banda, l’heli conegut com a heli 4 (la seva massa atòmica és de 4) presenta un estat de superfluïdesa a temperatures per sota de –270,98ºC, de manera que forma una pel·lícula sobre la superfície dels recipients per on hi flueix sense resistència. És a dir, es comporta com si tingués una viscositat nul·la.

Què es un condensat de Bose-Einstein?

A temperatures normals, els àtoms se solen trobar distribuïts en nivells d’energia (nivells quàntics) diferents. A prop del zero absolut de temperatura, el qual representa l’estat de menor energia possible, alguns tipus d’àtoms (els del mercuri, per exemple) es troben tots en els nivells d’energia mínims. De fet allò més interessant és que tots es troben en el mateix nivell d’energia (el mateix nivell quàntic). En aquesta situació, comencen a fer quelcom similar a fusionar-se, tots els àtoms perden la seva individualitat i ocupen de sobte el mateix lloc. Podríem dir que els àtoms “condensen” en el nivell d’energia mínim. Aquest sorprenent fet, difícil d’entendre segons la nostra manera de percebre l’espai i la matèria, és el que dóna propietats especials als condensats de Bose-Einstein.

El 1995 Cornell i Weiman van refredar una petita mostra d’àtoms fins a només algunes bilionèsimes de grau (0,000.000.001) sobre el zero absolut. És el que necessitaven per poder observar un nou estat d’agregació de la matèria: la Condensació de Bose-Einstein. Per aquesta fita van guanyar el Premi Nobel de Química l’any 2001.