Superfluidez para niños
El superfluido es un estado especial de la materia donde un líquido puede fluir sin ninguna fricción. Imagina un líquido tan resbaladizo que, si lo pones en un círculo cerrado, ¡nunca se detendría! A diferencia de los líquidos normales que siempre tienen un poco de resistencia al movimiento (viscosidad), un superfluido no tiene nada de eso.
Este fenómeno fue descubierto en 1937 por los científicos Piotr Kapitsa, John F. Allen y Don Misener. El estudio de los superfluidos es parte de una rama de la física llamada hidrodinámica cuántica.
La superfluidez ocurre a temperaturas extremadamente bajas, muy cerca del cero absoluto. A estas temperaturas, casi todos los elementos se congelan y se vuelven sólidos. Sin embargo, hay una excepción muy especial: el helio. Existen dos tipos estables de helio: el helio-4, que es el más común, y el helio-3, que es más raro.
Estos dos tipos de helio se comportan de manera diferente, lo que ayuda a los científicos a entender cómo las partículas se organizan a nivel cuántico, siguiendo reglas llamadas estadísticas de Fermi-Dirac y Bose-Einstein.
Contenido
¿Quién Descubrió la Superfluidez?
La superfluidez del helio líquido, específicamente del helio-II, fue observada por primera vez por Piotr Kapitsa en 1937. Él ganó el Premio Nobel de Física en 1978 por sus investigaciones. En el mismo año, John Allen y Don Misener también hicieron descubrimientos importantes sobre este fenómeno.
Antes de esto, ya se sabía que el helio líquido cambiaba a un estado diferente, llamado helio-II, cuando se enfriaba por debajo de una temperatura específica (aproximadamente -270.98 grados Celsius). Sin embargo, fue Kapitsa quien demostró que el helio-II realmente fluía sin fricción.
Más tarde, otro científico, L. D. Landau, quien también ganó el Premio Nobel de Física en 1962, desarrolló una teoría para explicar cómo funciona el helio-II superfluido. El descubrimiento de la superfluidez en el helio-III, el tipo más raro de helio, fue tan importante que llevó a la entrega del Premio Nobel de Física en 1996.
¿Cómo se Comporta un Superfluido?
Una de las cosas más curiosas del helio-II es que su viscosidad (su resistencia a fluir) parece ser diferente según cómo se mida. Si se mide la velocidad con la que sale de un recipiente por una ranura muy pequeña, parece tener una viscosidad casi nula. Pero si se mide cómo frena un disco que gira dentro de él, la viscosidad parece ser mayor.
Esto se explica con un modelo llamado "modelo de dos fluidos". Según este modelo, el helio-II es como una mezcla de dos líquidos que se mueven juntos:
- Un componente superfluido: Este es el helio líquido que se mueve sin fricción, no tiene temperatura y no transporta calor.
- Un componente normal: Este está formado por pequeñas "excitaciones" o "cuasipartículas" que sí se mueven con fricción y transportan energía en forma de calor.
A temperaturas muy cercanas al cero absoluto, casi todo el helio está en estado superfluido. A medida que la temperatura sube, la cantidad del componente normal aumenta y la del superfluido disminuye. Cuando se alcanza cierta temperatura, el componente superfluido desaparece por completo.
Este modelo ayuda a entender por qué el helio-II puede fluir por ranuras muy pequeñas sin perder energía, y por qué el calor se mueve de forma tan diferente en él, como si fueran ondas de sonido.
Superfluidez en Otros Lugares
La idea de la superfluidez no solo se aplica al helio. Los científicos han creado modelos de núcleos atómicos que se comportan como superfluidos.
En 1995, se logró que gases muy fríos de metales alcalinos se comportaran como superfluidos, formando lo que se conoce como un condensado de Bose-Einstein. En estos experimentos, se observó que los objetos que se movían a través de este condensado a baja velocidad no perdían energía, ¡como si no hubiera fricción!
También se ha investigado la superfluidez en otros materiales:
- En 2000, se demostró la superfluidez en el hidrógeno a temperaturas muy bajas.
- En 2004, se pensó que se había descubierto la superfluidez en el helio sólido, pero aún se están realizando estudios para confirmarlo.
- Se cree que a presiones muy altas, el hidrógeno podría convertirse en un líquido superfluido.
- Algunos científicos predicen que la superfluidez podría existir en estados muy fríos de neutrones o quarks, lo cual sería importante para entender cómo funcionan las estrellas de neutrones.
- En 2005, se encontró superfluidez en un gas frío de fermiones.
- En 2009, se demostró un tipo de superfluidez llamada "supersólido" en un gas de rubidio.
Superfluidos en el Espacio
Los científicos creen que la superfluidez podría existir dentro de las estrellas de neutrones. Se piensa que los nucleones (partículas que forman el núcleo de los átomos) dentro de estas estrellas podrían formar "pares" y comportarse como un superfluido o un superconductor.
Superfluidez en la Física Teórica
Existe una idea en la física teórica llamada la teoría del vacío superfluido. Esta teoría propone que el espacio vacío, que parece no tener nada, en realidad se comporta como un superfluido. El objetivo de esta teoría es intentar unir la mecánica cuántica (que describe el mundo muy pequeño) con la gravedad (que describe el mundo muy grande), buscando una forma de entender todas las fuerzas fundamentales del universo como diferentes aspectos de un mismo "vacío superfluido".
Incluso a gran escala, se ha sugerido que un fenómeno similar a la superfluidez ocurre en los movimientos de grandes grupos de estorninos. La forma en que cambian sus patrones de vuelo rápidamente se parece a cómo un líquido pasa a ser superfluido.
La luz también puede comportarse como un superfluido en ciertas situaciones. Por ejemplo, la luz puede viajar alrededor de un obstáculo antes de seguir su camino, de manera similar a cómo el helio líquido "trepa" por las superficies.
Véase también
En inglés: Superfluidity Facts for Kids
- Superconductividad
- Física de la materia condensada
- Fenómenos cuánticos macroscópicos
- Luz lenta
- Supersólido
Galería de imágenes
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El helio-2 «fluye» a lo largo de las superficies con el fin de encontrar su propio nivel. Después de un corto periodo de tiempo, los niveles en los dos contenedores se igualan. La película de Rollin también cubre el interior del recipiente más grande. Si este no se selló, el Helio II puede fluir y escapar.
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Sello ruso de la serie “Rusia. Siglo XX Science”, dedicado a Pyotr Leonidovich Kapitsa.
