Físicos del Trinity College de Dublín propusieron un termómetro cuántico capaz de medir temperaturas mil millones de veces más frías que las que existen en el espacio exterior (ver: Mark T. Mitchison et al., “In Situ Thermometry of a Cold Fermi Gas via Dephasing Impurities”. Physical Review Letters, 2020; 125 (8)).
Estas temperaturas ultra frías se encuentran en nubes de átomos llamados “gases de Fermi” que se originan al estudiar el comportamiento de la materia en sus extremos cuánticos. El profesor Goold jefe del grupo de investigación explica qué es un gas ultrafrío del modo siguiente: “La forma estándar en la que los físicos piensan sobre gases es a partir de una teoría conocida como mecánica estadística desarrollada por Maxwell y Boltzmann en el siglo XIX, ambos considerados gigantes de la física.
Estos científicos revivieron una idea desarrollada por los filósofos griegos antiguos, la teoría atómica. De acuerdo a la teoría estadística los fenómenos macroscópicos como la presión y temperatura pueden comprenderse en términos del movimiento microscópico de los átomos. Es importante subrayar que en esa época la idea de que la materia estuviera constituida por átomos era realmente revolucionaria”.
De este modo, el concepto de temperatura está realmente asociado con el movimiento o vibración de átomos o moléculas. Lo que llamamos “frío” y que está asociado con temperaturas bajas, en realidad es nada más que la ausencia o disminución de movimiento atómico-molecular, mientras que el “calor” está asociado con el incremento del movimiento atómico-molecular.
Por ejemplo, cuando se coloca agua en una olla de presión sobre el fuego de una estufa, tendremos que las moléculas de agua, debido a la energía térmica, incrementarán su movimiento hasta eventualmente abandonar el líquido y pasar a formar parte del vapor de agua.
Esto lo podemos observar al notar que entre más caliente esté el vapor mayor será la velocidad con que el gas sale por la válvula de escape de la olla de presión. Del mismo modo, al enfriar un gas, sus átomos constituyentes disminuyen la velocidad de su movimiento, de hecho, el cero absoluto de temperatura está asociado con la ausencia total de movimiento en las partículas que forman el gas.
Esta es la interpretación clásica a partir de la teoría cinética, de lo que representa el cero absoluto de temperatura en un gas. En realidad, desde el punto de vista cuántico hay importantes problemas causados por el llamado principio de incertidumbre de Heisenberg. Este principio establece que es imposible conocer simultáneamente la posición y velocidad de una partícula en el mundo cuántico.
Es decir: si sabemos exactamente en qué posición está una partícula entonces no sabemos a qué velocidad se mueve, e inversamente: si conocemos la velocidad exacta de una partícula entonces no sabemos cuál es su posición.
Una famosa broma narra que en una ocasión un policía de tránsito detuvo al Doctor Werner Heisenberg por exceso de velocidad en su automóvil. El policía le pregunta a Heisenberg: “¿Sabe usted a qué velocidad venía? A lo cual Heisenberg responde: “No lo sé, pero sé exactamente dónde estoy”.
El principio de incertidumbre de Heisenberg establece limitaciones de extrema complejidad práctica para conocer el movimiento (y por tanto la temperatura) de partículas en el mundo cuántico que se encuentran casi estáticas, casi en reposo total. Debido a esto la comunidad científica recibió con enorme agrado el desarrollo de esta nueva técnica cuántica para medir temperatura.