Descubriendo el secreto de las fases de la materia
Una nueva investigación arroja luz sobre el comportamiento de líquidos y gases en condiciones extremas.
¿Qué tienen en común las bolas de fuego supercalientes producidas en aceleradores de partículas grandes con el vapor en su olla a presión y el hielo en su refrigerador? La respuesta es bastante, según los científicos que intentan comprender la naturaleza de la materia en las estrellas de neutrones, el universo primitivo y otras condiciones extremas.
La experiencia cotidiana con el agua en nuestras cocinas nos expone a cómo el mismo material tiene diferentes fases: agua líquida, vapor gaseoso y hielo sólido. De manera similar, respiramos oxígeno gaseoso para impulsar nuestro metabolismo, mientras que usamos oxígeno líquido y sólido como combustible para cohetes.
Sin embargo, el hecho de que la materia tenga diferentes fases es profundamente extraño. La ciencia lo ha estudiado en profundidad desde el siglo XIX, pero no fue hasta finales del siglo XX que la teoría se adaptó completamente a la realidad. En 1982, el físico Kenneth Wilson ganó el Premio Nobel por su trabajo teórico sobre las fases de la materia.
Al someter el agua a diferentes temperaturas y presiones, podemos trazar un "diagrama de fases" que describa la forma que toma en diferentes condiciones. Cuando hierve agua en la estufa aplicando calor, la temperatura se detiene en su aumento en el punto de ebullición y, en cambio, el calor se convierte en líquido en gas; esto se llama calor latente. La temperatura estable de ebullición del agua es bastante útil para cocinar, ya que nos ayuda a obtener resultados predecibles. También podemos ajustar el punto de ebullición usando una olla a presión.
A presiones más altas, la temperatura de ebullición aumenta mientras que el calor latente se contrae. Finalmente, exactamente a 217,25 veces la presión atmosférica, el calor latente desaparece por completo. En ese punto, el agua pasa continuamente de líquido a gas; esas fases ya no son distintas. Justo por debajo de la presión crítica, el agua hierve a una temperatura límite de 373,946 grados Celsius, o alrededor de 705 grados Fahrenheit.
Se produce un comportamiento muy interesante cerca de la combinación crítica de presión y temperatura, donde el líquido y el gas se separan. La densidad del agua fluctúa enormemente, de modo que no se sabe con certeza cómo debe asentarse. El dióxido de carbono y muchas otras sustancias se comportan de manera similar. El gran logro de Kenneth Wilson fue explicar las razones de esa universalidad en el comportamiento de muchas sustancias diferentes. Según su teoría general, las fluctuaciones tienen vida propia, que es casi independiente de los detalles de la materia subyacente.
Ahora, en el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra y en el Colisionador de Iones Pesados Relativista en Brookhaven, Nueva York, los científicos encuentran la universalidad más difícil que nunca. En los colisionadores, la materia atómica es la fase líquida, mientras que la fase gaseosa es el plasma de quarks-gluones. Los investigadores chocan con los núcleos de átomos de oro a varias energías y forman bolas de fuego con un rango de temperaturas y densidades, luego trazan el diagrama de fase.
A principios de la década de 1990, Krishna Rajagopal y yo predijimos que habría un punto crítico, alrededor de 10 billones de grados, donde la distinción entre materia atómica y quarks desaparecería. La existencia de ese punto se puede confirmar, propusimos, observando las fluctuaciones en la bola de fuego, que tienen una temperatura y presión aproximadamente críticas.
Los experimentadores de Brookhaven han indicado tal comportamiento. Ahora están analizando un conjunto de datos mucho más grande para reducirlo (o no). Si todo hubiera ido bien, habrían demostrado que las ideas profundas inventadas para comprender los problemas de la química física y la ingeniería térmica son mucho más útiles que sus verdaderos orígenes.
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