Di Hazel Muir
(Immagine: ESA/NASA)
Le cose curiose che accadono alle basse temperature continuano a riservare sorprese. La settimana scorsa, gli scienziati hanno riferito che le molecole di un gas ultrafreddo possono reagire chimicamente a distanze fino a 100 volte maggiori di quanto possano fare a temperatura ambiente.
Negli esperimenti più vicini alla temperatura ambiente, le reazioni chimiche tendono a rallentare al diminuire della temperatura. Ma gli scienziati hanno scoperto che le molecole a temperature rigide, solo poche centinaia di miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273,15°C o 0 kelvin) possono ancora scambiare atomi, forgiando nuovi legami chimici nel processo, grazie a strani effetti quantistici che estendono la loro portata alle basse temperature.
“È perfettamente ragionevole aspettarsi che quando si passa al regime ultrafreddo non ci sia chimica di cui parlare”, dice Deborah Jin dell’Università del Colorado a Boulder, il cui team ha riportato la scoperta su Science (DOI: 10.1126/science.1184121). “Questo documento dice che no, c’è molta chimica in corso”.
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New Scientist dà un’occhiata allo strano e meraviglioso regno dell’ultrafreddo.
Perché lo zero assoluto (0 kelvin o -273,15°C) è un obiettivo impossibile?
Praticamente, il lavoro necessario per rimuovere il calore da un gas aumenta più si arriva al freddo, e sarebbe necessaria una quantità infinita di lavoro per raffreddare qualcosa allo zero assoluto. In termini quantistici, si può incolpare il principio di indeterminazione di Heisenberg, che dice che più precisamente si conosce la velocità di una particella, meno si conosce la sua posizione, e viceversa. Se sai che i tuoi atomi sono all’interno del tuo esperimento, ci deve essere qualche incertezza nella loro quantità di moto che li mantiene al di sopra dello zero assoluto – a meno che il tuo esperimento non abbia le dimensioni dell’intero universo.
Qual è il posto più freddo del sistema solare?
La temperatura più bassa mai misurata nel sistema solare si trova sulla Luna. L’anno scorso, il Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA ha misurato temperature fino a -240°C nei crateri permanentemente in ombra vicino al polo sud lunare. Questo è circa 10 gradi più freddo delle temperature misurate finora su Plutone. Brrrrrrrrrrr.
Qual è l’oggetto naturale più freddo dell’universo?
Il luogo più freddo conosciuto nell’universo è la Nebulosa Boomerang, a 5.000 anni luce da noi nella costellazione del Centauro. Gli scienziati hanno riferito nel 1997 che i gas che fuoriescono da una stella centrale morente si sono espansi e rapidamente raffreddati a 1 kelvin, solo un grado più caldo dello zero assoluto. Di solito, le nubi di gas nello spazio sono state riscaldate ad almeno 2,7 kelvin dal fondo cosmico a microonde, la radiazione relitta rimasta dal big bang. Ma l’espansione della Nebulosa Boomerang crea una sorta di frigorifero cosmico, permettendo ai gas di mantenere il loro insolito freddo.
Qual è l’oggetto più freddo nello spazio?
Se si contano i satelliti artificiali, le cose diventano ancora più fredde. Alcuni strumenti dell’osservatorio spaziale Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, lanciato nel maggio 2009, sono congelati fino a 0,1 kelvin, per sopprimere il rumore delle microonde che altrimenti appannerebbe la visione del satellite. L’ambiente spaziale, combinato con sistemi di refrigerazione meccanici e criogenici che utilizzano idrogeno ed elio, raffredda gli strumenti più freddi a 0,1 kelvin in quattro fasi sequenziali.
Qual è la temperatura più bassa mai raggiunta in laboratorio?
La temperatura più bassa mai registrata è stata raggiunta qui sulla Terra, in un laboratorio. Nel settembre 2003, gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology hanno annunciato di aver raffreddato una nuvola di atomi di sodio a un record di 0,45 nanokelvin. In precedenza, gli scienziati della Helsinki University of Technology in Finlandia avevano raggiunto una temperatura di 0,1 nanokelvin in un pezzo di metallo rodio nel 1999. Tuttavia, questa era la temperatura per un particolare tipo di movimento – una proprietà quantistica chiamata spin nucleare – non la temperatura complessiva per tutti i movimenti possibili.
Quale strano comportamento possono mostrare i gas vicino allo zero assoluto?
Nei solidi, nei liquidi e nei gas di tutti i giorni, il calore o l’energia termica deriva dal movimento degli atomi e delle molecole che zompano e rimbalzano l’uno sull’altro. Ma a temperature molto basse, regnano le strane regole della meccanica quantistica. Le molecole non si scontrano nel senso convenzionale; invece, le loro onde meccaniche quantistiche si allungano e si sovrappongono. Quando si sovrappongono in questo modo, a volte formano un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, in cui tutti gli atomi si comportano in modo identico come un singolo “super-atomo”. Il primo condensato di Bose-Einstein puro è stato creato in Colorado nel 1995 usando una nuvola di atomi di rubidio raffreddati a meno di 170 nanokelvin.
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