Absolute Zero é frequentemente pensado como sendo a temperatura mais fria possível. Mas agora os pesquisadores mostram que eles podem alcançar temperaturas ainda mais baixas para um estranho reino de “temperaturas negativas”
Esquisivamente, outra maneira de olhar para estas temperaturas negativas é considerá-las mais quentes do que o infinito, os pesquisadores acrescentaram.
Este avanço incomum pode levar a novos motores que tecnicamente podem ser mais de 100% eficientes, e lançar luz sobre mistérios como a energia escura, a substância misteriosa que aparentemente está a separar o nosso universo.
A temperatura de um objecto é uma medida de quanto os seus átomos se movem – quanto mais frio é um objecto, mais lentos são os átomos. À temperatura fisicamente impossível de alcançar de zero kelvin, ou menos 459,67 graus Fahrenheit (menos 273,15 graus Celsius), os átomos parariam de se mover. Como tal, nada pode ser mais frio do que zero absoluto na escala de Kelvin.
Temperaturas negativas bizarras
Para compreender as temperaturas negativas que os cientistas agora conceberam, pode-se pensar na temperatura como existente numa escala que é na verdade um loop, não linear. As temperaturas positivas constituem uma parte do laço, enquanto que as temperaturas negativas constituem a outra parte. Quando as temperaturas vão abaixo de zero ou acima do infinito na região positiva desta escala, elas acabam em território negativo.
Com temperaturas positivas, os átomos ocupam mais provavelmente estados de baixa energia do que estados de alta energia, um padrão conhecido como distribuição de Boltzmann na física. Quando um objeto é aquecido, seus átomos podem atingir níveis de energia mais altos.
No zero absoluto, os átomos ocupariam o estado de menor energia. A uma temperatura infinita, os átomos ocupariam todos os estados de energia. As temperaturas negativas então são o oposto das temperaturas positivas – os átomos provavelmente ocupam mais estados de alta energia do que os estados de baixa energia.
“A distribuição invertida de Boltzmann é a marca da temperatura negativa absoluta, e isto é o que conseguimos”, disse o pesquisador Ulrich Schneider, um físico da Universidade de Munique na Alemanha. “No entanto, o gás não é mais frio que zero kelvin, mas mais quente”. É ainda mais quente que em qualquer temperatura positiva – a escala de temperatura simplesmente não termina no infinito, mas salta para valores negativos”
Como seria de esperar, objetos com temperaturas negativas se comportam de formas muito estranhas”. Por exemplo, a energia normalmente flui de objetos com uma temperatura positiva mais alta para aqueles com uma temperatura positiva mais baixa – ou seja, objetos mais quentes aquecem objetos mais frios, e objetos mais frios esfriam objetos mais quentes, até atingirem uma temperatura comum. No entanto, a energia sempre fluirá de objetos com temperatura negativa para aqueles com temperatura positiva. Neste sentido, os objetos com temperaturas negativas são sempre mais quentes que os objetos com temperaturas positivas.
Outra estranha conseqüência das temperaturas negativas tem a ver com entropia, que é uma medida de quão desordenado é um sistema. Quando objetos com temperatura positiva liberam energia, eles aumentam a entropia das coisas ao seu redor, fazendo-os se comportar de forma mais caótica. Entretanto, quando objetos com temperaturas negativas liberam energia, eles podem realmente absorver entropia.
Temperaturas negativas seriam consideradas impossíveis, já que normalmente não há limite superior para a quantidade de átomos de energia que podem ter, tanto quanto a teoria sugere atualmente. (Há um limite para que velocidade eles podem viajar – de acordo com a teoria da relatividade de Einstein, nada pode acelerar a velocidades mais rápidas do que a luz.)
Experiência de física louca
Para gerar temperaturas negativas, os cientistas criaram um sistema onde os átomos têm um limite para a quantidade de energia que eles podem possuir. Eles primeiro resfriaram cerca de 100.000 átomos a uma temperatura positiva de alguns nanokelvin, ou bilionésimo de um kelvin. Eles resfriaram os átomos dentro de uma câmara de vácuo, o que os isolou de qualquer influência ambiental que pudesse potencialmente aquecê-los acidentalmente. Também utilizaram uma teia de feixes de laser e campos magnéticos para controlar com muita precisão o comportamento destes átomos, ajudando a empurrá-los para um novo reino de temperatura.
“As temperaturas que atingimos são nanokelvin negativas”, disse Schneider ao LiveScience.
Temperatura depende de quanto os átomos se movem – quanta energia cinética eles têm. A teia de feixes de laser criou um conjunto perfeitamente ordenado de milhões de pontos luminosos, e nesta “malha óptica”, os átomos ainda se podiam mover, mas a sua energia cinética era limitada.
Temperatura também depende de quanta energia potencial os átomos têm, e quanta energia reside nas interacções entre os átomos. Os pesquisadores usaram a malha óptica para limitar a quantidade de energia potencial que os átomos tinham, e usaram campos magnéticos para controlar muito bem as interações entre os átomos, tornando-os atraentes ou repulsivos.
Temperatura está ligada à pressão – quanto mais quente algo é, mais se expande para fora, e quanto mais frio algo é, mais se contrai para dentro. Para garantir que este gás tivesse uma temperatura negativa, os investigadores tiveram de lhe dar também uma pressão negativa, mexendo nas interacções entre os átomos até se atraírem mais uns aos outros do que se repelirem.
“Criámos o primeiro estado de temperatura absoluta negativa para as partículas em movimento”, disse o investigador Simon Braun na Universidade de Munique, na Alemanha.
Novos tipos de motores
Temperaturas negativas poderiam ser usadas para criar motores de calor – motores que convertem energia térmica em trabalho mecânico, como motores de combustão – que são mais de 100% eficientes, algo aparentemente impossível. Tais motores essencialmente não só absorveriam energia de substâncias mais quentes, mas também de substâncias mais frias. Como tal, o trabalho realizado pelo motor poderia ser maior do que a energia retirada apenas da substância mais quente.
Temperaturas negativas também poderiam ajudar a esclarecer um dos maiores mistérios da ciência. Os cientistas esperavam que a atração gravitacional da matéria desacelerasse a expansão do universo após o Big Bang, acabando por levá-la a uma parada ou mesmo revertê-la para um “Big Crunch”. Entretanto, a expansão do universo está aparentemente acelerando, o crescimento acelerado que os cosmólogos sugerem que pode ser devido à energia negra, uma substância ainda desconhecida que poderia constituir mais de 70% do cosmos.
Da mesma forma, a pressão negativa do gás frio que os pesquisadores criaram deveria fazer com que ele entrasse em colapso. No entanto, a sua temperatura negativa impede-o de o fazer. Como tal, as temperaturas negativas podem ter paralelos interessantes com a energia escura que pode ajudar os cientistas a compreender este enigma.
Temperaturas negativas também podem lançar luz sobre estados exóticos da matéria, gerando sistemas que normalmente podem não ser estáveis sem eles. “Uma melhor compreensão da temperatura poderia levar a coisas novas que ainda nem sequer pensámos”, disse Schneider. “Quando você estuda o básico muito bem, você nunca sabe onde ele pode acabar”
Os cientistas detalharam suas descobertas na edição de 4 de janeiro da revista Science.
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