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¿Cuál es la cosa más lenta de la Tierra? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
En palabras del infame villano, el Dr. Maligno: «Los láseres».
Los láseres enfocan un haz de luz estrecho y dirigido a un punto específico, lo que los convierte en una gran herramienta para cortar, quemar, soldar o, en el caso del Dr. Maligno, disparar a los enemigos desde lo alto de un tiburón. Todas estas actividades producen o requieren calor. Los rayos láser viajan a la velocidad de la luz, a más de 670 millones de millas por hora, lo que los convierte en lo más rápido del universo.
Entonces, ¿cómo produce un láser lo más lento de la Tierra?
Primero, es importante entender la relación entre la temperatura de un objeto y su velocidad. Cuanto más caliente está algo, más energía tiene y más rápido se mueve. Incluso las cosas que parecen estar perfectamente quietas -por ejemplo, un bolígrafo o tu cuaderno- no lo están. A nivel microscópico, las partículas de las que están hechas se mueven rápidamente. Esto es cierto incluso en los seres vivos.
Usemos el perezoso como ejemplo. Si se acerca a las moléculas que componen el cuerpo de este famoso y lento animal, se verá que se comportan como niños saltando dentro de un castillo hinchable. ¿Por qué? Alrededor del 70% del cuerpo de esta criatura está formado por agua y esas moléculas de agua rebotan a cientos de kilómetros por hora.
Enfriamiento por láser
Así que puede parecer sorprendente que utilice láseres brillantes e intensos para enfriar cosas en mis experimentos de laboratorio. Soy un físico interesado en cómo se comportan los átomos y las moléculas a las temperaturas más frías. Es un mundo extraño en el que impera la mecánica cuántica. En este reino, las partículas a veces se comportan como olas en el océano, y lo creas o no, a veces pueden estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo.
Para estudiar este extraordinario comportamiento, utilizo láseres para producir nubes de átomos frígidos que son las cosas más frías de la Tierra – que llamamos condensados de Bose-Einstein. Cuando se enfría un grupo de átomos hasta casi el cero absoluto, la temperatura más fría posible, los átomos empiezan a obedecer a la mecánica cuántica y se comportan de forma sorprendente.
El estudio de las nubes de átomos ultrafríos podría proporcionar pistas sobre el funcionamiento de otros materiales extraños, como los superconductores. Los superconductores transportan la electricidad mucho mejor que los materiales existentes, tanto que algún día podrían utilizarse para construir trenes de súper alta velocidad.
Creando la cosa más lenta de la Tierra
Entonces, ¿cómo hacen exactamente los láseres para enfriar una nube de átomos? En el laboratorio, empezamos iluminando con láseres los átomos de un metal blanco plateado llamado iterbio. Estos átomos, que están muy calientes, se mantienen dentro de una cámara de 1 pie de ancho. Pero después de unos segundos bajo el rayo láser, se enfrían, se ralentizan y quedan atrapados juntos en el centro de la cámara.
¿Cómo ocurre esto? Toda la luz, incluida la del láser, está formada por fotones, que son paquetes de energía en constante movimiento. Cuando hacemos brillar un láser en nuestra cámara, los átomos chocan con las corrientes de fotones del rayo y se ralentizan y se enfrían, como lo que ocurriría si se intentara correr muy rápido contra un viento fuerte.
Estas pequeñas colisiones hacen que la temperatura de la nube de átomos descienda a sólo unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Eso es 459 grados por debajo de 0 grados Fahrenheit.
Pero eso aún no es suficiente para darle a esta nube el premio por ser la cosa más lenta de la Tierra. Hace falta un último paso para que se enfríe un poco más, una técnica que los físicos llamamos «enfriamiento por evaporación».
Primero, capturamos todos los átomos, a veces utilizando un campo magnético hecho pasando electricidad por un cable enrollado. Esto crea un pozo invisible que retiene los átomos: Imagina canicas sentadas en el fondo de un cuenco. A continuación, bajamos los lados de este campo de fuerza en forma de cuenco disminuyendo la corriente eléctrica que pasa por el cable. Eso permite que los átomos más rápidos y calientes salgan del «cuenco» y escapen de la trampa.
Sólo los átomos más lentos se quedan atrás – y están realmente más allá de la congelación: una décima de una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Los átomos de esta nube se mueven a cámara lenta: Si viajaran en línea recta en lugar de rebotar, tardarían una hora entera en atravesar una habitación. En comparación, las moléculas de tu cuerpo podrían atravesar esa habitación en tan sólo una fracción de segundo.
Los átomos de nuestra gélida nube de átomos se mueven literalmente a menos de un paso de caracol, y esa nube es lo más lento de la Tierra.
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