Enfriamiento en caliente

Apuntes sobre la luz y el calor

El autor utiliza la curiosidad de un niño como pretexto para explicar físicamente el funcionamiento de la luz y el calor. Para hacerlo recurre a científicos como Galileo y Christian Doppler.

Es muy común la experiencia de quemarse las manos al tratar de cambiar un foco que se ha fundido; prácticamente a todos nos ha ocurrido en alguna ocasión. La misma experiencia nos enseña desde niños que la luz calienta, y quema. Sin embargo, con la luz también podemos enfriar, y esto suena inverosímil. Ese niño que todos alguna vez fuimos, y que afortunadamente a veces no deja de ser, podría preguntarnos: ¿por qué?

Si la luz calienta se debe a que transmite energía. Existen muchas formas de energía y quizá la más familiar a través de nuestros sentidos es, precisamente, el calor; es común frotarnos las manos para calentarlas, pero para poder generar ese calor realizamos un movimiento.

Galileo escribió que sobre un tema muy antiguo (el movimiento) iba a desarrollar una ciencia muy nueva (la mecánica), y así fue. Después se desarrollaría otra ciencia, la termodinámica (la mecánica del calor). Una forma de tener energía, o una forma de energía, está relacionada con el movimiento y se denomina energía cinética, la cual es proporcional a la magnitud de la velocidad al cuadrado. Posteriormente surgió la mecánica estadística y se comprendió que el calor está relacionado con el movimiento de las partículas.

Para poner manos a la obra, el niño de nuestra historia nos pregunta ahora: ¿dónde está la luz en todo esto?

Condensado de Bose-Einstein.

El niño emite la pregunta en forma de una onda de sonido y ésta tiene una velocidad de transmisión determinada. Si el niño se acerca a nosotros, el tiempo en que nos llega su señal, su pregunta, es menor ya que la distancia que recorre también lo es. Pero en el camino sucede un efecto… el efecto Doppler, el cual se presenta en todo tipo de onda (la luz también es una onda). Si la fuente que emite una onda (el niño) se acerca, la frecuencia que percibimos es mayor; si se aleja, es menor. En esto consiste el efecto Doppler.

En la actualidad existen diversos métodos ópticos para enfriar átomos, pero el primero que se propuso —en la década de los sesenta del siglo XX— y se llevó a la práctica fue el enfriamiento Doppler, el cual bien puede ser llamado la punta del iceberg en el enfriamiento atómico por métodos ópticos.

En el enfriamiento Doppler un haz de átomos interacciona con luz láser. El proceso es relativamente sencillo. Los átomos tienen movimientos en todas las direcciones, pero el láser tiene una dirección dada. Cuando los átomos entran en el campo de la luz, se presenta una interacción entre ésta y aquéllos. Los átomos que se utilizan experimentalmente (sodio o rubidio, por ejemplo) pueden modelarse como sistemas de dos niveles de energía. Esto es similar a la energía que asociamos a una partícula o un cuerpo en una casa de dos niveles: en el piso de abajo tiene una energía menor y en el piso de arriba una mayor; sin embargo, en el caso de los átomos no se trata de energía potencial gravitatoria sino cuántica. Ciertos átomos llevan una velocidad en la misma dirección pero en sentido contrario al láser, y detectan una frecuencia mayor a la que en realidad tiene éste (que es una onda con una frecuencia característica). La energía que estos átomos —en su estado energético menor— captan puede ser la que les permita subir de nivel de energía; un tiempo después caen de nivel y emiten energía en forma de luz. Pero como la energía que la luz le dio al átomo es menor a la que en realidad éste emitió, y ya que la energía se conserva, el átomo pierde energía cinética, es decir, disminuye su velocidad en cierta cantidad: el átomo se frena, se enfría.

Así ha sido posible enfriar átomos con luz… y como la curiosidad de un niño nunca se enfría, la pregunta obligada es: ¿para qué? Cosa de niños: una trampa. El enfriamiento atómico permite generar trampas atómicas, en las cuales se puede manipular átomos y aprender sobre ellos. Esto también ha generado varios premios Nobel, por cierto.

Y sí, hay físicos que se han ganado el Premio Nobel por tramposos: nunca dejaron de ser niños. ®

Aquí, un buen video que muestra el efecto Doppler.

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Publicado en: Abril 2010, Ciencia y tecnología


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