Superfluidez

Maelströms, ciclones y vórtices

Ernesto Altshuler

..."Nunca olvidaré la sensación de pavor, espanto y admiración que sentí al contemplar aquella escena. El barco parecía estar colgando, como por arte de magia, a mitad de camino en el interior de un embudo de vasta circunferencia y prodigiosa profundidad, cuyas paredes, perfectamente lisas, hubieran podido creerse de ébano, a no ser por la asombrosa velocidad con que giraban, y el lívido resplandor que despedían bajo los rayos de la luna, que, en el centro de aquella abertura circular entre las nubes a que he aludido antes, se derramaban en un diluvio gloriosamente áureo a lo largo de las negras paredes y se perdían en las remotas profundidades del abismo".

Un marino noruego ha penetrado por accidente en un terrible remolino en el mar y, convencido de que el destino le ha deparado una forma privilegiada de morir, es capaz de observar serenamente el interior del terrible torbellino en el que pasará sus últimos minutos de vida. Ese el el tema del magistral relato “Un descenso al Maelström”, de Edgar Allan Poe, uno de cuyos fragmentos (en la brillante traducción de Cortázar) he citado más arriba.

Los fluídos en rotación son omnipresentes en la Física. En los líquidos, toman la forma de remolinos (como los maelstrom noruegos), en la atmósfera se asocian con ciclones ó tornados, mientras que en terrenos más propios de los laboratorios de investigación como el helio super-fluído ó los superconductores, se revelan como minúsculos entes conocidos como vórtices.

Probablemente los fluídos en rotación más conocidos, son los más difíciles de describir físicamente: tanto el inocuo torbellino que se forma en el desagüe de una bañera, como un terrible tornado –pasando por ciclones y maelstroms–, sufren de un “serio problema”. El problema es que los fluídos en los que se producen estos fenómenos son viscosos, o sea, que las capas de aire ó agua que rotan, disipan energía en forma de calor al frotarse entre sí. Se dice, por lo tanto, que éstos fenómenos son disipativos, y presentan la complicación de que no resulta fácil aplicar en ellos la Ley de Conservación de la Energía, a la cual echan mano los físicos cada vez que pueden, pues es un instrumento sencillo y elegante para comprender muchos fenómenos naturales.

Estos vórtices disipativos pueden aparecer debido a “perturbaciones” en el fluído en cuestión. Un buen ejemplo es el de los ciclones. Es bien conocido, por ejemplo, que ellos se pueden producir debido a la ascención de aire caliente en un punto cualquiera de la superficie del océano, producto de una fuerte diferencia de temperaturas entre su superficie y las capas altas de la atmósfera. La corriente vertical de aire que se establece como resultado, actúa como el agua que escapa por un tragante de una bañera, produciendo un remolino de aire que tiende a ocupar el lugar de la masa de aire que ha ascendido.

Figura 1 Imagen desde un satélite artifical de la reciente tormenta tropical “Isabel”: un gigantesco vórtice disipativo.

 Pero hay fluídos muy curiosos que, a diferencia del aire y el agua, no presentan viscosidad alguna: los superfluídos. Lamentablemente, estos fluídos tienden a existir a muy bajas temperaturas y, por lo tanto, sólo se pueden observar en el laboratorio. El helio líquido, a una temperatura algo por debajo de 3 grados Kelvin (– 270 grados centígrados) es superflúido. Una de las formas en que se revela su superfluidez, es que es capaz de “escaparse” de un vaso …¡“trepando” por sus paredes! (después de todo, es una verdadera suerte que el agua, el ron, y otros líquidos vitales, no sean superflúidos). La superfluidez fue descubierta por el físico soviético Piotr Kapitsa en 1937, lo que le valió el premio Nobel en 1978 (junto con Penzias y Wilson, éstos por el descubrimiento de la radiación de fondo del Universo).

Si un vaso de helio superfluído se hace rotar, puede observarse otro fenómeno muy notable: aparecen minúsculos torbellinos dentro del líquido conocidos como vórtices, cuyo número va aumentando en la medida en que se incrementa la velocidad de rotación del vaso.  Además, los vórtices forman una red hexagonal (o sea, cada vórtice ocupa el lugar equivalente a una celda de un panal de abejas).  A diferencia de ciclones y torbellinos en el agua, estos vórtices no disipan energía en forma de calor (a no ser que comiencen a trasladarse de lugar) y, en vez de formarse por efecto de “perturbaciones” en el seno del líquido, “penetran” en él desde las paredes del vaso.

Más comunes en los laboratorios que los vórtices en el helio superfluído, son los vórtices en ciertos materiales superconductores, que aparecen al someterlos a campos magnéticos. Aquí la situación es diferente, en el sentido de que los superconductores son sólidos y no líquidos, y en el hecho de que el fluído rotatorio no es un líquido, sino un “fluído de super-electrones”. Un vórtice superconductor se podría representar como una minúscula bobinita o muellecito por el que circula corriente eléctrica sin resistencia eléctrica, con un diámetro del orden de la diezmilésima parte de un milímetro. Sin embargo, a diferencia de las bobinas de corriente que se utilizan comúnmente para fabricar hornillas eléctricas, ó en los “relays” de los automóviles, los pequeñísimos vórtices superconductores contienen un flujo magnético fijo, o cuanto de flujo. Este hecho delata una de las propiedades básicas de los superfluídos y superconductores: ellos son manifestaciones macroscópicas de los llamados fenómenos cuánticos.

Figura 2. Minúsculos vórtices superconductores fotografiados mediante técnicas magnetoópticas por investigadores de la Universidad de Oslo.

De forma parecida a los vórtices en los super-fluídos, al aumentarse el campo magnético al que está sometido el material superconductor, los vórtices superconductores “nacen” en los bordes de la muestra, y van penetrándola, formando idealmente una red hexagonal que puede incluir millones de vórtices (en dependencia del valor del campo magnético). Sin embargo, en la mayoría de los casos reales los defectos del material hacen que no se forme una red hexagonal perfecta, sino que los vórtices nuevos que van penetrando desde la frontera, vayan émpujando” a los que ya estaban adentro y sacándolos de los lugares donde estaban “acomodados”–de modo parecido a como la gente entra en una guagua–. Esto resulta en que los vórtices se acumulan más densamente cerca del borde de la muestra, que en su interior. La Figura 2 muestra una fotografía inédita en la prensa no especializada proveída por colegas noruegos de la Universidad de Oslo, en la que se ve un “ejército” de vórtices en un –esta foto fue solicitada por la organización Nobel para ilustrar el tardío premio Nobel recién conferido a Abrikosov y Ginzburg por el descubrimiento de los vórtices superconductores (y a Leggett por sus trabajos en el campo de la Superfluidez).

Y, hablando de noruegos, me complace informarles que el bravo marino del relato de Poe sale ileso del Maelström –de cuerpo, que no de alma–, rompiendo con la larga tradición fatalista de la obra de este afamado escritor. Y creo recordar que lo logra atándose a un barril, tras haber observado que los objetos cilíndricos eran tragados por el remolino más lentamente que los de otras formas geométricas. Siempre me he preguntado si esa afirmación tiene un fundamento físico, o es sólo una espectacular solución literaria salida de la mente del autor. Le preguntaré, en cuanto lo vea, a mi antiguo profesor de Métodos Matemáticos de la Física, que es un especialista en fluídos rotatorios.