Ciencia

Un profesor de la Universidad de Sevilla demuestra que Albert Einstein y Nernst estaban equivocados: "Durante 30 años no había caído en una cosa tan sencilla"

El profesor José María Olalla revisa uno de los postulados históricos de la termodinámica y aporta un nuevo enfoque sobre la imposibilidad de alcanzar el cero absoluto.

Desde principios del siglo XX, el "principio de Nernst", conocido también como tercer principio de la termodinámica, ha sido uno de los pilares fundamentales de la física moderna. Formulado inicialmente por Walther Nernst en 1906, establece que es imposible alcanzar el cero absoluto (0 Kelvin o -273,15 grados Celsius) mediante un número finito de procesos físicos. Es decir, aunque podamos enfriar la materia hasta temperaturas extremadamente bajas, nunca podremos llegar completamente al cero absoluto utilizando métodos convencionales. Esta idea ha guiado la comprensión de la materia a temperaturas extremadamente bajas durante más de un siglo.

Para entender su relevancia, basta recordar que el cero absoluto es el punto en el que cesa completamente el movimiento térmico de las partículas. En otras palabras, los átomos y moléculas estarían, teóricamente, totalmente inmóviles. Este estado extremo es clave en física porque permite estudiar fenómenos cuánticos muy singulares que no se observan a temperaturas normales, como la superfluidez o la superconductividad.

En ese contexto se sitúa el trabajo de José María Olalla, profesor de la Universidad de Sevilla, que propone una revisión conceptual de este principio. Según explica, "la materia, en las temperaturas muy muy frías, se comporta de forma un poco diferente a lo que se comporta la materia a la que estamos acostumbrados a temperatura ambiente". Esta observación inicial marca el punto de partida de su análisis.

120 años desde el problema

El debate se remonta a las primeras interpretaciones del propio Nernst, quien partía de observaciones experimentales al notar que todas las sustancias parecían obedecer una misma ley al aproximarse al cero absoluto. Aunque su argumentación era intuitiva y, en palabras de Olalla, "un poco tosca", fue ampliamente aceptada. Años más tarde, Albert Einstein intentó refinar el planteamiento aportando un razonamiento más formal, aunque también limitado. "Einstein rebatía el argumento de Nernst de una forma no intuitiva, sino de cierta forma brillante, pero también estaba equivocado", explica Olalla.

Uno de los puntos de fricción fue la hipotética existencia de una máquina que pudiese alcanzar el cero absoluto sin violar el segundo principio de la termodinámica. Para aclarar: el segundo principio establece que la entropía, una medida del desorden, de un sistema aislado tiende siempre a aumentar. Este principio explica, por ejemplo, por qué el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos y no al revés.

"Einstein dijo que esa máquina no se podría construir en la práctica. No habría forma de hacerle la prueba, imaginarla sí, pero montarla realmente no iba a poder funcionar", detalla Olalla. Esta máquina teórica, de poder construirse, permitiría extraer energía de un sistema a temperaturas extremadamente bajas de forma eficiente, lo que va en contra del segundo principio tal como lo entendemos hoy.

Este tipo de máquinas son habituales en los ejercicios teóricos de la termodinámica, donde se trabajan procesos ideales que en realidad no pueden llevarse a cabo. "La termodinámica está acostumbrada a trabajar con cosas que no se pueden hacer en la práctica, es decir, procesos ideales que sirven para extraer consecuencias teóricas", explica el investigador.

Tras décadas de reflexión, Olalla aporta un nuevo matiz al debate: "El segundo principio de la termodinámica obliga a que esa máquina conceptualmente exista si queremos hablar del cero absoluto". Aunque dicha máquina no produciría trabajo, permitiría medir con precisión si se ha alcanzado realmente el cero absoluto. "Nos permitiría medir la temperatura cero que nos daría la seguridad de que aquello que estamos estudiando nos daría temperatura de cero absoluto y no de otro número", subraya.

Este planteamiento, aunque abstracto, podría simplificar la explicación de cómo se comporta la materia a bajas temperaturas. "Es una simplificación de la explicación que hay del universo, ya que con la propuesta que yo hago, la misma ley que nos explica cómo es el mundo cotidiano que observamos en el día a día también nos explica cómo de extraño es el mundo que observamos a temperaturas muy bajas", sostiene Olalla.

La docencia, un papel clave en la resolución del problema

Durante más de dos décadas, el profesor ha dedicado gran parte de su carrera a pensar en este problema: "Yo llevo 30 años explicando estas cosas y durante 30 años no había caído en una cosa tan sencilla como la que veo ahora", confiesa. La revelación llegó mientras preparaba un libro de apuntes para sus alumnos: "Me comprometí a escribir un libro de apuntes porque esa idea no es muy común en los libros que están acostumbrados a leer. Al escribir, uno tiene que ser mucho más cuidadoso con los argumentos, y me di cuenta del problema que había".

La docencia, de hecho, ha jugado un papel clave en su investigación. "Yo me esfuerzo desde hace muchos años en las clases en introducir el concepto de temperatura, no de la forma empírica o sensorial a la que estamos acostumbrados, sino a través de unos razonamientos bastante abstractos y bastante delicados relacionados con las máquinas térmicas", explica.

Para el público general, este tipo de debates pueden resultar muy abstractos. ¿Por qué es importante discutir si podemos o no alcanzar el cero absoluto? Porque detrás de este límite se esconde el comportamiento más puro de la naturaleza: los estados cuánticos más extraños, las transiciones de fase exóticas y, quizás, claves para nuevas tecnologías futuras. Comprender mejor este límite podría tener implicaciones en campos como la computación cuántica o la investigación de nuevos materiales superconductores.

Esta nueva visión permitiría unificar el tratamiento de la termodinámica clásica, que explica los procesos a temperatura ambiente, con el comportamiento de los sistemas al borde del cero absoluto. "Ahora mismo el segundo principio de la termodinámica sería capaz de explicar tanto lo que vemos cotidianamente, como mucho de lo que observaríamos en temperatura cercana al cero", concluye.