Se estima que alrededor de un 68% del universo está formado por energía oscura y que otro 27% corresponde a materia oscura. Eso significa que la naturaleza de la mayor parte de la masa del cosmos continúa siendo un misterio. Despejar esas incógnitas requiere avanzar en el desarrollo de los modelos de la física y mejorar la precisión de los instrumentos con los que se observan algunos de los fenómenos fundamentales.
Por eso, científicos de la NASA han puesto a prueba su Laboratorio de Átomos Fríos (CAL) a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS), con el que han conseguido generar el quinto estado de la materia, llamado condensado de Bose-Einstein. Los detalles del experimento se describen este jueves en la revista Nature.
El condensado de Bose-Einstein se encuentra a medio camino entre el mundo microscópico, en el que rigen las reglas de la mecánica cuántica, y el macroscópico, en el que se aplican las de la física clásica. Este estado de la materia se forma cuando un gas de bosones (en este caso, átomos de rubidio) se enfría hasta llevarlo a cerca de 0º Kelvin (-273ºC, o cero absoluto), la temperatura más baja posible.
"Este estado sólo se obtiene a las temperaturas más bajas y en las densidades más altas", explica Jim Kohel, uno de los coautores del trabajo. "Entonces, el conjunto de átomos, que se pueden ver con una cámara, se comporta como una partícula individual. Se podría describir como átomos actuando de forma colectiva, como una onda".
Experimentos de este tipo proporcionan a los científicos una oportunidad única para estudiar propiedades fundamentales de la mecánica cuántica. El problema es que, en la Tierra, cualquier análisis de precisión sobre este estado de la materia se ve obstaculizado por la propia atracción gravitatoria del planeta.
Para superar esta limitación, el equipo de Laboratorio de Propulsión a Reacción de la NASA (JPL por sus siglas en inglés) decidió embarcar su instrumental en la ISS. "El objetivo es proporcionar a la humanidad uno de los instrumentos más sensibles jamás construidos", explica Robert Shortwell, responsable del proyecto.

CAÍDA LIBRE
Porque en la microgravedad de la estación (que se encuentra en estado de caída libre perpetua) el laboratorio es capaz de generar un condensado de Bose-Einstein, confinarlo en una trampa de átomos poco profunda y observarlo durante periodos mucho más largos que en tierra antes de que se disperse.

Según los autores, las ventajas que proporcionan estas condiciones permitirán, además, crear condensados mucho más fríos de los que se han logrado hasta ahora, ya que la expansión de los átomos fuera de su contenedor provoca temperaturas más bajas, en las que los efectos cuánticos exóticos se hacen cada vez más prominentes.
"Una de las cosas que nos permite enfriar los átomos más allá del punto en el que se produce la condensación Bose-Einstein es que podemos debilitar la trampa", explica Robert Thompson, uno de los investigadores del proyecto. "Eso permite que la nube atómica se expanda y, a medida que se expande, se enfría. Es algo similar a lo que sucede cuando se utiliza una lata de aerosol, ya que al rociar el gas de su interior se expande, enfriando la lata". De momento, se ha logrado alcanzar una temperatura de una diezmillonésima de grado por encima de cero absoluto, convirtiéndolo en el objeto más frío -que se conozca- en el espacio (en la Tierra el récord lo consiguió el MIT).
Las posibles aplicaciones van desde la búsqueda de energía oscura y ondas gravitacionales hasta la navegación espacial o la prospección de minerales del subsuelo de cuerpos planetarios, además de verificaciones en la Teoría de la Relatividad General.
"Pero una de las implicaciones más importantes es que tal vez tenemos un nuevo paradigma sobre cómo se hace la física", señala Thompson. "Hasta ahora nuestra comprensión sobre el funcionamiento interno de la naturaleza ha venido de los aceleradores de partículas y de observatorios astronómicos, pero en el futuro creo que las mediciones de precisión con átomos fríos van a jugar un papel cada vez más importante".

UN SIGLO DE INVESTIGACIÓN
En 1924 el joven físico indio Satyendranath Bose escribió una carta a Albert Einstein. "Respetado señor, me he atrevido a enviarle el artículo adjunto. Estoy ansioso por saber qué opina de él". El artículo en cuestión, que ya había sido rechazado por una revista científica, sostenía que cualquier objeto emite cierta luz y que esa luminosidad depende de su temperatura. Describía, además, ciertas reglas para determinar si dos fotones deberían considerarse idénticos o diferentes. Einstein comprendió inmediatamente su importancia, lo tradujo personalmente al alemán y recomendó su publicación a la revista Zeitschrift für Physik.

Una de las implicaciones era que, por debajo de una cierta temperatura, este tipo de partículas, que se llamarán bosones en memoria del científico indio, tienden a adoptar un mismo estado microscópico: el condensado de Bose-Einstein. Este quinto estado de la materia pasó de la teoría a la realidad 70 años después, cuando Carl Wieman y Eric Cornell consiguieron generarlo en el laboratorio de la Universidad de Colorado en Boulder, hito que les valió el Nobel de Física en 2001.
Enfriar las nubes de átomos a temperaturas tan bajas requiere suspenderlos usando imanes o láseres pero, una vez que estos se apagan para realizar las observaciones, los condensados caen y se disipan. "Queremos estudiar los átomos y observarlos durante periodos de tiempo más largos", declara Thompson, "y eso sólo es posible en microgravedad".
Para que pueda embarcar a bordo de la ISS, sus creadores han tenido que adaptar el instrumental a los estrictos requisitos de masa, volumen y consumo de energía de la estación, al mismo tiempo que lograban un diseño lo suficientemente robusto como para funcionar durante años sin necesidad de mantenimiento.
"Normalmente, los experimentos con el condensado de Bose-Einstein implican equipamiento suficiente para llenar una habitación y requieren una monitorización casi constante por parte de los científicos", afirma Shotwell. "Mientras que CAL es aproximadamente del tamaño de una nevera pequeña y puede ser operado de manera remota desde la Tierra".