Una pequeña caja puede revolucionar nuestro conocimiento del mundo

El pasado 21 de este mes, la NASA embarcó a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) una pequeña caja que puede revolucionar nuestro conocimiento del mundo. Se trata del Cold Atom Laboratory (CAL), en cuyo interior se congelarán átomos de gas a una  millonésima de grado por encima del cero absoluto, más de 100 millones de veces más frío que las profundidades del espacio.

Esta temperatura récord se conseguirá en una cámara de vacío gracias a una combinación de imanes y láseres ultra perfeccionados que permitirán formar y estudiar los condensados Bose-Einstein, el estado de la materia en el que los átomos pierden su individualidad y se reencuentran todos unidos en el mismo estado cuántico.

Este condensado fue predicho en los años 20 del siglo pasado por los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. En 1995, los también físicos Eric Cornell y Carl Wieman recibieron el Nobel por obtener este condensado en laboratorio.  

Lo consiguieron enfriando átomos al más bajo nivel de energía, menos de una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto, una temperatura muy inferior a la mínima temperatura encontrada en el espacio exterior.

En el nuevo experimento se combinarán láseres e imanes para enfriar y desacelerar una nube de átomos a solo una fracción por encima del cero absoluto. La finalidad es superar una limitación presente en la Tierra: debido a la gravedad, los condensados Bose-Einstein sólo duran una fracción de segundo, ya que los átomos se caen continuamente hacia el suelo.

Sin embargo, en el ambiente de microgravedad que existe en la ISS, es posible alcanzar temperaturas mucho más bajas y las nubes de átomos que caracterizan al condensado Bose-Einstein pueden durar más de 10 segundos.

Podrán durar incluso cientos de segundos cuando las tecnologías empleadas en CAL se desarrollen en el futuro. Este tiempo adicional ofrece a los científicos una ventana más amplia para comprender la física en su nivel más básico.

En estas condiciones, será posible “explorar regímenes de temperaturas hasta ahora inaccesibles en las que pueden aparecer nuevos fenómenos cuánticos”, explica Robert Thompson, uno de los responsables de la experiencia, en un comunicado de la NASA.

Y añade: “el estudio de estos átomos ultrafríos podría conducirnos a reconsiderar nuestra comprensión de la materia, e incluso la naturaleza fundamental de la gravedad… Los experimentos que haremos con Cold Atom Lab nos darán una idea de la gravedad y la energía oscura, algunas de las fuerzas más penetrantes del universo".

Trascendiendo fronteras

Cuando los átomos se enfrían a temperaturas tan extremas, pueden formar ese estado distinto de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. En este estado, las reglas familiares de la física retroceden y la física cuántica comienza a tomar el control.

La materia puede observarse comportándose menos como partículas y más como ondas. Filas de átomos se mueven en concierto uno con el otro, como si estuvieran montando una tela en movimiento. Estas misteriosas formas de onda nunca se han visto a temperaturas tan bajas como las que se conseguirán a bordo de la ISS.

Los condensados ​​de Bose-Einstein son en realidad un "superfluido", un tipo de fluido con viscosidad nula, en el que los átomos se mueven sin fricción como si fueran todos una sustancia sólida.

"Si tuviéramos agua superfluida y la hicieramos girar en un vaso, giraría para siempre", explica Anita Sengupta, gerente del proyecto Cold Atom Lab. "No hay viscosidad para desacelerar y disipar la energía cinética. Si podemos comprender mejor la física de los superfluidos, posiblemente podamos aprender a utilizarlos para una transferencia de energía más eficiente".

Cinco equipos científicos realizarán experimentos utilizando Cold Atom Lab. Entre ellos se encuentra el citado Eric Cornell, uno de los ganadores del Premio Nobel por haber creado el primer condensado Bose-Einstein en un laboratorio.

Los resultados de estos experimentos podrían dar lugar a una serie de tecnologías mejoradas, incluidos sensores, ordenadores cuánticos y relojes atómicos utilizados en la navegación de naves espaciales.

Especialmente emocionantes son las aplicaciones relacionadas con la detección de energía oscura, señala Kamal Oudrhiri, gerente de proyecto adjunto de CAL. Añade que los modelos actuales de cosmología dividen el universo en aproximadamente el 27 por ciento de materia oscura, el 68 por ciento de energía oscura y alrededor del 5 por ciento de la materia ordinaria.

"Esto significa que, incluso con todas nuestras tecnologías actuales, todavía estamos ciegos respecto al 95 por ciento del universo", añade Oudrhiri. "Como una nueva lente en el primer telescopio de Galileo, los átomos fríos ultrasensibles del Laboratorio Atómico Frío tienen el potencial de descubrir muchos misterios más allá de las fronteras de la Física conocida", concluye.