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Ciencia EXtrema

Desde la atalaya tranquila de nuestro planeta templado y acogedor, José María Campos Cánovas y Daniel Iván Reyes nos invitan a un viaje fascinante. En su compañía observaremos los fenómenos más extraordinarios del Cosmos: visitaremos las estrellas más masivas, los cuerpos más veloces, los lugares más fríos o calientes y los mundos más extraordinarios y diminutos. Ante nuestros frágiles ojos se abre un Universo que bate todos los récords.

Los límites de la temperatura.

Límites de temperatura - Podcast Ciencia Extrema - CienciaEs.com

Cuando era apenas un niño, en la escuela primaria me enseñaron que la luna gira alrededor de la tierra porque la fuerza de gravedad de la Tierra la atrae, y que la Tierra gira alrededor del Sol porque la fuerza de gravedad del Sol la atrae…y que nuestro Sol y todos sus planetas son parte de la Vía Láctea, nuestra galaxia.

El sol, para quien no lo sepa, también gira alrededor de la galaxia. Así que sabemos que la Luna tarda 28 días en dar una vuelta a la tierra. La Tierra, 365 días en dar una vuelta al Sol, y nuestro Sol unos 225 millones de años en orbitar la galaxia. Pero, si la Luna orbita a la Tierra porque la gravedad de la tierra lo atrae, y si la Tierra orbita al Sol porque la gravedad del Sol la atrae, ¿qué hace que nuestro Sol orbite la galaxia?

Me hubiera gustado haberme preguntado lo anterior cuando tenía 7 u 8 años mientras escuchaba a mi maestra de ciencias naturales enseñar sobre este tema. Quizá yo no hubiera encontrado la respuesta, pero la sola pregunta valía oro.

Hoy, sabemos que es la fuerza de gravedad que genera un agujero negro ubicado en el centro de la vía láctea lo que mantiene unida a nuestra galaxia, y que es esa inconmensurable masa la que mantiene unida a la galaxia por la deformación del espacio que genera. Una simple y lógica pregunta, mediante el método deductivo, me hubiera llevado al fascinante tema de los agujeros negros.

Así funciona el pensamiento deductivo. Toma datos conocidos y con ellos obtiene respuestas.

Veamos un ejemplo más: En una ocasión pregunté a un grupo de estudiantes universitarios si respirar el Helio de los globos de fiesta era dañino. A pesar de que todos estudiaron previamente química, ninguno fue capaz de responder. Y usted apreciable podescucha, ¿qué piensa? ¿Hace daño o no?

Le ayudaré a descubrir la respuesta ¿Recuerda los gases nobles? Están en la tabla periódica de los elementos ubicados hasta el extremo derecho. Ahí, están esas sustancias que llamamos gases inertes o nobles. A toda persona que haya estudiado química en la escuela secundaria le explicaron que los gases nobles no reaccionan con otros elementos.

Entonces, si no reaccionan y usted los respira ¿sucederá algo? La respuesta es no. Respirar Helio no hace daño, porque este gas no reacciona. Así de fácil.

Así que no es suficiente saber sobre algún tema, sino aplicar esos conocimientos para interpretar su entorno o simplemente encontrar respuestas para sus interrogantes.

Veamos un ejemplo más… Seguramente usted ha visto en televisión a un buzo nadando en aguas heladas debajo de una espesa capa de hielo. Digamos que el buzo está nadando en el polo norte… ¿a qué temperatura estima que está el agua?

Si usted pensó que muchos grados bajo cero, se equivoca. También, en la escuela primaria, le enseñaron que, a nivel del mar, el agua se congela a cero grados centígrados. Por lo tanto, si el agua está líquida, aunque en la superficie esté congelada, sigue estando a una temperatura muy cercana al cero, pero no tan bajo como -10, -20 o más fría.

El agua pura se congela a 0C, el agua salada del mar a unos 2 grados centígrados bajo cero. Así que aunque se vea que hace mucho frío, si el agua permanece en estado líquido, significa que si temperatura es superior a -2C. Así que el buzo está nadando en agua muy fría, pero no tan helada como las personas suelen creer.

Por cierto, así fue como se determinó la escala de Anders Celsius, el creador de los grados centígrados. Él llamó cero a la temperatura en la cual el agua se congela y 100 a la que hierve. Luego dividió en 100 partes iguales la diferencia entre la temperatura de congelación y de ebullición y así surgieron los grados Celsius o centígrados. Porque son la centésima parte entre un punto y otro.

Sin embargo, como pueden ver, es una escala algo extraña. De hecho bastante subjetiva.
Es por ello que existe otra escala denominada grados Kelvin y esta escala es más objetiva. Porque toma como base, la temperatura más fría a la que puede enfriarse la materia. A esa temperatura se le denomina, cero absoluto. Y en la escala de Celsius, el cero absoluto equivale a -273,15 ºC. ¿puede imaginarlo?

Así pues, repasemos algunas bases teóricas para aplicar en unos momentos más el pensamiento deductivo y descubrir, cuan frío y cuan caliente puede llegar la materia y de esta manera, juntos, descubrir su naturaleza extrema.

Medir la temperatura de un objeto, es una forma indirecta de medir la cantidad de energía que posee. Cuando un cuerpo tiene poca energía, lo percibimos como frío, y cuando tiene mucha energía, como caliente. El detalle es que solemos estar tan familiarizados con diversos conceptos y fenómenos que a menudo no cuestionamos su significado. Por ejemplo, consultamos la temperatura mínima y máxima del clima para saber si usamos ropa abrigada o no, pero en realidad entendemos poco de ella.

La temperatura es una magnitud relacionada directamente con la cantidad de la energía interna conocida como energía cinética, que es la energía asociada a los movimientos de las partículas, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. Así es, los átomos de los que estamos hechos están en constante movimiento gracias a esa energía. Los átomos de tu cuerpo se están moviendo constantemente. Los átomos con los que están formados tus cabellos ahora mismo están vibrando, y las moléculas de agua que ahora mismo están en tu organismo se mueven en todas direcciones o rotan.
En un líquido o un gas, los átomos viajan de un punto a otro y en un sólido vibran. Mientras tengan energía cinética, ellos se estarán moviendo y nuestros instrumentos lo percibirán como temperatura.
Cuando el agua está en estado líquido sus moléculas se están moviendo en diferentes direcciones pero cuando recibe más energía (al calentarla en la estufa) sus moléculas comienzan a moverse más rápido y a alejarse unas de otras. Esto va a suceder mientras la energía que le apliquemos sea de 30, 50,70 grados centígrados. Incluso hasta 99 grados. Pero al continuar calentando el agua, sus moléculas tendrán tanta energía que se van a separar aún más unas de otras y el agua dejará de ser líquida y pasará al estado gaseoso.

Al medir la temperatura, en realidad lo que se mide es la energía cinética que contiene la materia. Es decir, medimos la energía que el objeto puede usar para moverse. Así que, ya tenemos las bases para deducir cuan fría puede estar la materia. Debe existir un punto en el que los átomos y moléculas ya no se muevan más. Ese será su punto más frío, es decir, el punto en el cual se queden sin energía cinética (recuerde que al medir la temperatura en realidad lo que se mide es la energía de movimiento)
Así que, a unos 20 ºC los átomos y moléculas se mueven y mucho. A -100 ºC se siguen moviendo, lo mismo que a -200 ºC… se sabe que es necesario llegar hasta 273,15 ºC para que estas partículas dejen de moverse. A esa temperatura ya no se trasladan, ni rotan ni son capaces de vibrar. Así que hemos dado con la temperatura más baja. El estado en el cual la materia se queda sin energía de movimiento o cinética. A ese punto, en donde la materia ya no se mueve, se le conoce como cero absoluto.
Ahora, nos falta descubrir la temperatura más alta a la que puede calentarse una partícula ¿Puede haber un límite? Sí, lo hay.

Para descubrirlo, debemos emplear el método deductivo y recordar de nuevo que la temperatura es una representación o medición del movimiento de los átomos, así que usando estas premisas, instantáneamente podemos hacernos una idea de cuál puede ser la causa del límite. Entre más energía tenga una partícula, más se rápido se mueve. ¿y cuál es el límite de velocidad que puede alcanzar una partícula?… ¡Exacto, la velocidad de la luz!.

Y dado que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, si calentamos lo suficiente un material, llegará un momento en que sus átomos se aproximarán más y más a dicha velocidad.
Cuando las partículas se aceleran, según la teoría de la relatividad, aumentan su masa. Este aumento de masa hace que cada vez sea necesaria más energía para aumentar su velocidad (y por lo tanto su temperatura).

He ahí nuestro límite de la temperatura, es decir, nuestro límite de movimiento o energía cinética. La materia puede acelerarse casi a la velocidad de la luz pero nunca igualarse. Ese es su límite.

Ese límite se conoce como la temperatura de Planck, calculada en 1×10^32^ K, una cifra extrema que supera nuestra capacidad de comprensión. A partir de ese punto ya no se puede aumentar más la temperatura pues la masa que alcanzarían los electrones sería suficiente para convertirlos en agujeros negros, donde nuestras leyes físicas se colapsan.

Así pues, encontramos que existe un límite, aunque extraordinariamente alto. Para hacernos una idea de cuan alto es, le ayudaré a escalarlo con varios ejemplos: El cuerpo humano está en promedio a 37 ºC, una temperatura ambiental sofocante en un verano caluroso es de unos 44C, una buena taza de café se sirve a 82C, un pastel se hornea a unos 250 grados y la lava de un volcán está a 1200 grados. El sol, en su núcleo, está a unos 15 millones de grados centígrados, pero ni siquiera la temperatura del Sol se aproxima a la temperatura de Planck.

Quizá sea un poco complicado entender cuan frío o caliente puede llegar a estar la materia. Pero lo que sí es comprensible es que las partículas de las que está hecha la materia pueden dejar de moverse o bien moverse tan rápido hasta casi alcanzar la velocidad de la luz.

Es por todo esto que a mí, la energía cinética de la materia, la forma indirecta de medirla mediante la temperatura y sus manifestaciones, me parecen naturaleza extrema ¿a usted también le parece?

(Daniel Iván Reyes, 28/04/2017)

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