En 1966, durante una conferencia, una pregunta de un alumno de enseñanza media desconcertó al físico británico Denis Osborne (1932-2014), de la Universidad de Dar es-Salaam, en la capital de Tanzania. “Si tomamos dos vasos con un mismo volumen de agua, uno a 35 grados Celsius [ºC] y otro a 100 ºC, y los colocamos en un refrigerador, el que tenía una temperatura inicial de 100 ºC se congela primero. ¿Por qué?”, le planteó Erasto Mpemba, fallecido a principios de esta década en fecha incierta, al profesor universitario. La pregunta surgió de una observación del joven tanzano cuando tiempo atrás preparaba helados en su casa. El estudiante había notado que, extrañamente, una mezcla de leche hervida y azúcar se congelaba más rápido que otra más fría, que no había sido calentada. En lugar de desestimar el relato del muchacho, Osborne resolvió ponerlo a prueba. El resultado, que confirmó las observaciones iniciales del alumno, fue publicado en 1969 en un artículo redactado por ambos en la revista Physics Education.
La capacidad del agua caliente y también de otros líquidos de solidificarse antes que homólogos más fríos se denomina efecto Mpemba. El fenómeno, macroscópico y contradictorio, desafía la ley del enfriamiento de Isaac Newton (1643-1727), que afirma que la pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia entre su temperatura y la del ambiente. El efecto Mpemba ya había sido observado en el agua por Aristóteles en la antigüedad, más de 2000 años antes, y posteriormente por el filósofo británico Francis Bacon (1561-1626) y el matemático francés René Descartes (1596-1650). Nunca ha sido explicado en forma convincente por la termodinámica, que estudia la transferencia de calor y otras formas de energía en un sistema. Aún hoy en día no existe consenso sobre las causas que inducen al agua caliente a solidificarse antes que la fría.
En los últimos años ha surgido un creciente interés por comprender los fenómenos análogos al efecto Mpemba en el campo de la mecánica cuántica, que estudia el comportamiento de la luz y la materia a escala atómica y subatómica, en el mundo microscópico. Un estudio publicado en octubre en la revista Physical Review Letters propone una explicación teórica de la versión cuántica del fenómeno y sugiere una forma de manipularlo. “Los estudios previos se centraban en sistemas y condiciones muy restringidos. Nuestro trabajo amplía el alcance teórico para comprender y activar el efecto Mpemba en cualquier sistema cuántico”, explica la física brasileña Krissia Zawadzki, del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), coautora del artículo junto a un equipo del Trinity College de Dublín, en Irlanda.
El efecto Mpemba puede entenderse como la aceleración de un proceso que pugna por llevar el estado inicial de un sistema a otro que se mantendrá fijo en el tiempo, denominado estacionario. Si este estado tiene una temperatura bien definida, está en equilibrio. En esta situación puede conocerse con exactitud la proporción de moléculas que están en reposo o en movimiento y el grado de excitación sigue una distribución de probabilidades conocida. Cuando el agua se congela o hierve, estos datos se pierden y se considera que el sistema está fuera del equilibrio. Un estado inicial desequilibrado puede ser interesante cuando esta situación permite tomar una vía más rápida hacia el estado final que se desea alcanzar.
Para los sistemas cuánticos se adopta un razonamiento similar. “Llamamos efecto Mpemba cuántico a cualquier fenómeno que haga que un sistema cuántico alcance más pronto el equilibrio cuanto mayor fuera el estado inicial de desequilibrio”, explica Zawadzki. Es el mismo principio paradójico del efecto Mpemba original, en el que el sistema más caliente se congela antes que el menos caliente. En el mundo cuántico, cuando ocurre este fenómeno, el más desequilibrado se equilibra antes que el menos desequilibrado.
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Para activar una versión cuántica del efecto Mpemba, el estudio propone seleccionar las partes de un sistema, denominadas modos, que muestren un mayor desequilibrio energético, es decir, que exhiban propiedades cuánticas en un nivel más intenso, como el entrelazamiento o la superposición de estados. Cuantos más modos (partes) en mayor desequilibrio fueran seleccionados, más pronto el sistema puede encaminarse al equilibrio y, como en el universo clásico, literalmente enfriarse.
“Básicamente, nuestro trabajo proporciona una receta para generar el efecto Mpemba en sistemas cuánticos, en los que puede llevarse a cabo una transformación física que efectivamente ‘calienta’ el sistema cuántico”, dice el físico John Goold, del Trinity College, en el material divulgado por el estudio. “Esta transformación, pues, paradójicamente permite que se relaje o se ‘enfríe’ exponencialmente más rápido valiéndose de las características únicas de la dinámica cuántica”.
Este estudio puede ser útil para desarrollar tecnologías que permitan enfriar más rápido las computadoras cuánticas, que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC). El artículo no plantea una técnica de refrigeración concreta, pero Zawadzki apunta a la manipulación de campos magnéticos en materiales como el alumbre de cromo potásico, por ejemplo, como una técnica actualmente prometedora.
Zawadzki se muestra cauta en cuanto a asociar el estudio al desarrollo de nuevas tecnologías, pero estima posible que el efecto Mpemba sea importante para el desarrollo de baterías cuánticas, que podrían recargarse mucho más rápido y tendrían mayor capacidad de almacenamiento, aparte del potencial de utilizárselo en los sistemas de refrigeración necesarios en el campo de la computación cuántica. “Aún no es posible predecir cuán lejos o cerca estamos de la creación de posibles nuevas tecnologías de refrigeración. Esto podría darse de aquí a algunas décadas o en un lapso de tiempo menor”, sopesa el físico Roberto Serra, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), quien no participó en el estudio.
A corto plazo, el abordaje propuesto en el estudio abre el camino para que la física experimental pueda probarlo bajo diferentes condiciones y en distintos materiales. Para el físico Marcelo Terra, del Instituto de Matemática, Estadística y Computación Científica de la Universidad de Campinas (Imecc/Unicamp), quien tampoco participó en el estudio, la teoría propuesta es interesante y puede aplicarse en diversos sistemas experimentales. Serra dice que el trabajo es muy convincente y atraerá el interés de muchos grupos de investigación experimental. “Solo es una cuestión de tiempo que alguien realice los experimentos y ponga a prueba estas ideas”, comenta el investigador de la UFABC.
Este artículo salió publicado con el título “Cuanto más caliente, más cerca de congelarse” en la edición impresa n° 345 de noviembre de 2024.
Artículos científicos
MORODER, M. et al. Thermodynamics of the Quantum Mpemba Effect. Physical Review Letters. 4 oct. 2024.
MPEMBA, E. B. y OSBORNE, D. G. Cool? Physics Education. v. 4, p. 172. 1969.
