Si pensabas que la habitación de un niño, un premio Nobel noruego y un puntero láser no tenían nada en común, dos físicos de la UA están a punto de iluminarte.

Es difícil de creer, pero después de haber desenredado muchas de las leyes que hacen funcionar el universo, Los físicos aún no han llegado a un acuerdo sobre si algo tan aparentemente simple como "caliente" o "frío" puede medirse en un sistema en determinadas circunstancias.

"Imagina que arrojas un iceberg al sol y, justo antes de que se derrita y desaparezca, querías saber '¿Qué tan caliente está ese iceberg en ese momento?' ¿Sería una pregunta significativa para hacer? ", Dice Charles Stafford, profesor del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la UA. "Según la física tradicional, no lo sería ".

En pocas palabras, El conocimiento tradicional sostiene que propiedades como la temperatura o el voltaje solo pueden medirse mientras un sistema esté en equilibrio. (Pista:un iceberg hundiéndose en el sol no lo es).

"La temperatura y el voltaje son dos variables básicas desarrolladas en el siglo XIX, "Stafford dice, "por lo que puede resultar sorprendente que tales nociones básicas hayan carecido hasta ahora de una definición matemáticamente rigurosa, excepto en el caso del equilibrio, un caso idealizado que en realidad no ocurre en la naturaleza, excepto quizás por la 'muerte por calor' que se predice que marcará el fin del universo ".

Junto con el estudiante de doctorado Abhay Shastry, el primer autor del estudio, Stafford utilizó modelos matemáticos para explorar este enigma. Publicaron sus resultados recientemente en la revista Revisión física B . Su manuscrito muestra que estas dos cantidades están tan estrechamente relacionadas que es imposible conocer una sin conocer la otra.

"Hemos demostrado que, en realidad, cualquier estado de un sistema, incluso lejos del equilibrio, puede caracterizarse por una temperatura, "Dice Stafford.

Aquí es donde entra en juego la habitación del niño. (Llegaremos a los premios Nobel y a los punteros láser en un momento).

Todo en el universo, desde los quarks hasta las galaxias, tiene una tendencia inherente a alcanzar el equilibrio con su entorno y dirigirse hacia el mayor grado posible de desorden. En realidad, este fenómeno, llamada entropía y descrita en la Segunda Ley de la Termodinámica, es un poco más complicado, pero no nos preocupemos por eso por ahora. Después de todo, sabemos esto intuitivamente:echa un cubito de hielo en una bebida y déjalo en paz por un tiempo; pronto, las moléculas de agua en el cubo de hielo han abandonado su estructura cristalina altamente ordenada y se han asentado en un acogedor equilibrio, felizmente mezclándose con sus desordenados, hermanos acuosos. Lo mismo ocurre con las cosas en la habitación de los niños:deje las cosas en paz por un tiempo sin ponerlas en orden, ya se hace una idea.

Ese iceberg que está a punto de evaporarse cuando lo arrojamos al sol antes ilustra un sistema que es muy, muy lejos del equilibrio, pero veamos un ejemplo más cotidiano:un puntero láser ordinario. Cuando presionas el botón para activar ese punto rojo de luz que a tu gato le vuelve loco, un infierno se desata dentro del pequeño dispositivo.

"Cuando están lasing, los electrones dentro del dispositivo se calientan más que una temperatura que llamamos 'más infinito, ", Dice Shastry." Si calentaras una olla de agua, no importa que tan caliente incluso si lo vaporizaste a un millón de grados, todavía no estaría tan caliente como los electrones del láser ".

Ahora, Es importante señalar que estamos hablando de fenómenos cuánticos aquí, en este caso la temperatura del electrón, lo cual no tiene nada que ver con la temperatura de la luz láser y es la razón por la que su puntero láser no se vaporiza instantáneamente en su mano al activarse.

Sin embargo, si de alguna manera pudieras tocar los electrones en tu láser, se sentiría muy muy caliente, Shastry explica.

El punto, según los dos físicos, es que cuando un láser está disparando, está muy lejos del equilibrio, mucho más que, decir, Fenómenos meteorológicos. A diferencia del clima, que es impulsado en gran parte por diferencias térmicas, Los sistemas como semiconductores y dispositivos electrónicos funcionan eléctricamente, que pueden impulsar sus componentes; en este caso, electrones:mucho más lejos del equilibrio que el calor.

Bajo la vista actual, Los físicos dirían que no se puede medir la temperatura en un dispositivo de este tipo que está lejos del equilibrio. Los resultados de Stafford y Shastry dicen:sí, se puede hacer, pero eso evoca otra pregunta:¿Por qué querría uno?

"La tecnología microelectrónica actual está limitada por el hecho de que los dispositivos disipan mucho calor, y son cada vez más pequeños ", Dice Stafford." A medida que se hacen más pequeños, disipan más calor, por lo que esto crea un gran problema para el avance de la tecnología.

"Porque mostramos que es posible definir temperaturas y voltajes incluso a escala subatómica, y definirlo rigurosamente, uno podría esperar hacer dispositivos que estén integrados de tal manera que uno pueda tener enfriamiento local de solo un lugar en el dispositivo donde se encuentra ese transistor que se está calentando mucho, en lugar de enfriar todo el chip. En la actualidad, no hay forma de hacer algo así ".

Stafford y Shastry están explorando una posible colaboración con Pramod Reddy, un colega de la Universidad de Michigan cuyo laboratorio ha establecido el récord en la creación de un termómetro capaz de sondear la temperatura en unos pocos átomos, someter sus hallazgos a un estudio experimental.

Otro ejemplo al que podría aplicarse el trabajo es la resonancia magnética nuclear, una tecnología que se utiliza habitualmente en imágenes médicas.

"Alguien que haya experimentado eso podría no haberse dado cuenta de que los núcleos atómicos de su cuerpo se pusieron en un estado de temperatura absoluta negativa, que es más caliente que cualquier cosa en el universo, pero ese es el caso, "Dice Stafford.

"Nuestra teoría es muy general. Se aplica a muchas cosas, desde plasmas de quarks-gluones generados en aceleradores de partículas hasta punteros láser y estrellas de neutrones, "Dice Shastry." Todos siguen exactamente el mismo formalismo ".

Como producto secundario de esta investigación, Shastry y Stafford proporcionan la primera prueba de una versión de la Segunda Ley de la Termodinámica formulada en 1931 por el químico noruego Lars Onsager, que se aplica en particular a los procesos termoeléctricos, una hazaña que había eludido a la comunidad física durante 85 años.

"La Segunda Ley de la Termodinámica es la más general no solo de las leyes de la física, pero todas las leyes de la naturaleza, "Dice Stafford." Y hay muchos practicantes en este campo de la física cuántica que proponen que la segunda ley no se aplica a los sistemas que están en un estado que está lejos del equilibrio, pero mostramos que lo hace ".

Como resulta, todo tiene que respetar la segunda ley. Incluida la habitación de un niño.