Imagen: Condensación de Bose-Einstein en un gas en función de la temperatura.
A temperatura ambiente, la longitud de onda de las moléculas de aire (nitrógeno, oxígeno) es extremadamente pequeña (alrededor de 0,2 angstrom, 1Å=10−10 m).
La ecuación de la longitud de onda térmica nos dice que a medida que la velocidad disminuye, la longitud de onda aumenta y si la longitud de onda aumenta, los paquetes de ondas asociados con cada partícula se hace más y más grande. El volumen en el recipiente no varía, λth aumenta hasta alcanzar la distancia entre partículas. En este momento se produce una asombrosa transición de fase. Este fenómeno fue predicho en 1925 por Albert Einstein.
Mecánica cuántica a escala macroscópica
La mecánica cuántica fue desarrollada en la década de 1920 por una docena de físicos europeos para describir y comprender cómo se unen los átomos para formar moléculas.
Aunque describe fenómenos físicos en la escala de lo infinitamente pequeño, sorprendentemente, la física cuántica a veces se manifiesta en una escala macroscópica, a temperaturas muy bajas. Los dos ejemplos emblemáticos son la superconductividad y la superfluidez.
La superconductividad ocurre dentro de ciertos materiales sumergidos en un baño de nitrógeno líquido cercano al cero absoluto (−273.15°C). En estas circunstancias, la ausencia de resistencia eléctrica y la expulsión del campo magnético (efecto Meissner) hace posible levitar un imán sobre el superconductor casi eternamente. Las corrientes inducidas pueden fluir sin disipación por efecto Joule.
La superfluidez es el estado de un fluido que a muy baja temperatura está desprovisto de cualquier viscosidad. El helio ultrafrío a 2,17 K (punto lambda) se vuelve superfluido y ya no se retiene en ningún recipiente. El helio sin ninguna viscosidad fluirá a través del material del contenedor.
Por tanto, es a muy baja temperatura cuando la mecánica cuántica se manifiesta a escala macroscópica.
La temperatura de la materia está directamente relacionada con la velocidad de agitación molecular. Así, las moléculas pueden describirse como corpúsculos que se mueven bajo el efecto del calor.
Sin embargo, cuando se enfría un gas o un fluido, la velocidad de sus átomos se reduce gradualmente y se favorece la naturaleza ondulatoria de la materia.
La dispersión espacial de las partículas se caracteriza por la longitud de onda térmica (λth) de Louis De Broglie (matemático y físico francés 1892-1987).
λth=h/Mv (h=constante de Planck, M=masa de la partícula y v=velocidad de la partícula).
Cuando la longitud de onda térmica es mucho más pequeña que la distancia entre las partículas, el gas puede considerarse como un gas clásico formado por corpúsculos.
Pero cuando λth es mayor que la distancia entre partículas, aparecen los efectos cuánticos.
Cuando se alcanza una temperatura cercana a 0 K, todas las partículas se acumulan en el estado de energía fundamental más bajo posible y se condensan. Aquí es cuando se forma el condensado de Bose-Einstein.
El hecho de que todas las partículas estén en estado fundamental no es muy sorprendente porque a temperatura cero no existe interacción, la energía cinética es cero. Lo sorprendente es la transición de fase que aparece de repente en el condensado de Bose-Einstein.
A una temperatura suficientemente baja, los átomos que tienen un número de masa par (deuterio, helio 4, plomo 208, etc.) pueden considerarse bosones idénticos y ocupan un solo estado cuántico de menor energía. Este fenómeno fue predicho en 1925 por Albert Einstein.
N.B.: Satyendranath Bose (1894-1974) es un físico teórico indio conocido por su trabajo sobre la mecánica cuántica.
En 1924, Bose escribió un artículo (La ley de Planck y la hipótesis de los cuantos de luz) que envió a Einstein, luego de que fuera rechazado por la Philosophical Magazine. Einstein lo recomendó para su publicación en Zeitschrift für Physik, y él mismo lo tradujo del inglés al alemán. El artículo de Bose presenta estadísticas cuánticas sobre fotones de las que deriva la fórmula de Planck para la radiación de cuerpo negro.
Einstein adoptó la idea, la extendió a los átomos y así predijo la existencia del fenómeno que más tarde se llamaría condensado de Bose-Einstein.
La partícula subatómica de giro completo fue llamada bosón por Paul Dirac en honor a Satyendranath Bose.