Historias del Cosmos: La fiebre del frío

A lo largo de los siglos, la comprensión del frío ha evolucionado considerablemente, desde la creencia errónea de que era una sustancia física hasta el desafío de alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto. 

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En el siglo XVII, Robert Boyle, quien jugó un papel crucial en la transición de la alquimia a la química como una disciplina científica rigurosa, desmintió la idea de que el frío era una sustancia física al demostrar que el cambio de volumen del agua no afectaba su masa. Sin embargo, fue en el siglo XVIII cuando la teoría del calórico, una sustancia invisible que se pensaba causaba el calor, dominó el pensamiento científico, a pesar de ser incorrecta.

La verdadera transformación llegó con la Revolución Industrial, cuando los científicos descubrieron que el calor era el resultado del movimiento aleatorio de moléculas. Uno de los padres de la termodinámica, el físico y matemático británico conocido como lord Kelvin, quien había desarrollado la escala de temperatura que lleva su nombre, postuló que el cero absoluto era la temperatura en la que las moléculas se detendrían completamente, fijada en -273,15 °C, un concepto crucial para la física moderna.

Esta teoría planteó nuevos desafíos para los científicos, entre ellos sir James Dewar, reconocido por sus contribuciones a la criogenia, el arte de congelar la materia. Como gran experimentalista, Dewar asumió el desafío de licuar gases, es decir, convertirlos de su estado gaseoso a estado líquido, a temperaturas extremadamente bajas. El método consiste en utilizar una serie de gases diferentes que se enfrían y licúan progresivamente, uno tras otro, en una “cascada”. Cada gas tiene un punto de licuefacción más bajo que el anterior. Al enfriar cada gas hasta su punto de licuefacción, se reduce gradualmente la temperatura, permitiendo alcanzar niveles cercanos al cero absoluto.

Utilizando este método de enfriamiento en cascada, Dewar logró licuar oxígeno a -183 °C y nitrógeno a -196 °C. Sin embargo, el hidrógeno presentó un desafío aún mayor. A fines de la década de 1880, Dewar se centró en este objetivo, enfrentando tanto dificultades técnicas como conflictos personales con la comunidad científica. Mientras tanto, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes también competía en la carrera por licuar hidrógeno, pero con una actitud mucho más colaborativa y abierta que Dewar.

En 1896, Dewar sufrió un accidente en su laboratorio, lo que retrasó su investigación. A pesar de las dificultades, continuó perfeccionando su sistema de enfriamiento en cascada, y un par de años más tarde logró licuar hidrógeno a una temperatura de -252 °C, acercándose al cero absoluto. Este logro marcó un hito en la historia de la ciencia, demostrando la viabilidad del enfriamiento extremo.

Entrado el siglo XX, la atención de los científicos se desvió hacia el helio, un gas con una temperatura de licuefacción aún más baja. Aunque el helio tiende a escapar al espacio debido a su ligereza, Onnes logró obtenerlo y, después de años de preparación, lo licuó en 1908.

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El helio líquido reveló propiedades extraordinarias, como una tensión superficial extremadamente baja y una densidad mucho menor que la del agua. Onnes había descubierto que el helio líquido era un “superfluido”, una forma de materia con viscosidad cero que fluye sin resistencia, y recibiría el premio Nobel de Física en 1913 por sus hallazgos. Dewar por su parte, un tanto decepcionado, tuvo que conformarse con ser reconocido por su invención del termo de vacío, conocido como Dewar.

Hacia mediados del siglo pasado, gracias a la mecánica cuántica, se pudo finalmente describir el estado superfluido del helio. Hoy en día, los experimentos siguen explorando estados teóricos como el “supersólido” y alcanzando temperaturas de fracciones de Kelvin, desafiando los límites de las leyes físicas y demostrando que la fiebre del frío continúa impulsando la investigación científica.

SANTIAGO VARGAS

Ph. D. en Astrofísica

Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional