Lo zero assoluto è spesso ritenuto la temperatura più fredda possibile. Ma ora i ricercatori dimostrano di poter raggiungere temperature ancora più basse per uno strano regno di “temperature negative”
Oddirittura, un altro modo di guardare a queste temperature negative è di considerarle più calde dell’infinito, hanno aggiunto i ricercatori.
Questo insolito progresso potrebbe portare a nuovi motori che potrebbero tecnicamente essere più efficienti del 100%, e far luce su misteri come l’energia oscura, la misteriosa sostanza che sta apparentemente tirando il nostro universo a parte.
La temperatura di un oggetto è una misura di quanto i suoi atomi si muovono – più un oggetto è freddo, più gli atomi sono lenti. Alla temperatura fisicamente impossibile da raggiungere di zero kelvin, o meno 459,67 gradi Fahrenheit (meno 273,15 gradi Celsius), gli atomi smetterebbero di muoversi. Come tale, nulla può essere più freddo dello zero assoluto sulla scala Kelvin.
Temperature negative di Bizarro
Per comprendere le temperature negative che gli scienziati hanno ora ideato, si può pensare alla temperatura come esistente su una scala che è in realtà un ciclo, non lineare. Le temperature positive costituiscono una parte del ciclo, mentre le temperature negative costituiscono l’altra parte. Quando le temperature vanno sotto lo zero o sopra l’infinito nella regione positiva di questa scala, finiscono in territorio negativo.
Con temperature positive, è più probabile che gli atomi occupino stati a bassa energia che stati ad alta energia, un modello noto come distribuzione di Boltzmann in fisica. Quando un oggetto viene riscaldato, i suoi atomi possono raggiungere livelli di energia più alti.
Allo zero assoluto, gli atomi occuperebbero lo stato di energia più basso. A una temperatura infinita, gli atomi occuperebbero tutti gli stati energetici. Le temperature negative sono quindi l’opposto delle temperature positive – gli atomi occupano più facilmente gli stati ad alta energia che quelli a bassa energia.
“La distribuzione di Boltzmann invertita è il segno distintivo della temperatura assoluta negativa, e questo è ciò che abbiamo ottenuto”, ha detto il ricercatore Ulrich Schneider, un fisico dell’Università di Monaco in Germania. “Eppure il gas non è più freddo di zero kelvin, ma più caldo. È ancora più caldo che a qualsiasi temperatura positiva – la scala della temperatura semplicemente non finisce all’infinito, ma salta a valori negativi.”
Come ci si potrebbe aspettare, gli oggetti con temperature negative si comportano in modi molto strani. Per esempio, l’energia tipicamente scorre dagli oggetti con una temperatura positiva più alta a quelli con una temperatura positiva più bassa – cioè, gli oggetti più caldi riscaldano gli oggetti più freddi, e gli oggetti più freddi raffreddano quelli più caldi, fino a raggiungere una temperatura comune. Tuttavia, l’energia fluirà sempre dagli oggetti con temperatura negativa a quelli con temperatura positiva. In questo senso, gli oggetti con temperature negative sono sempre più caldi di quelli con temperature positive.
Un’altra strana conseguenza delle temperature negative ha a che fare con l’entropia, che è una misura di quanto sia disordinato un sistema. Quando gli oggetti con temperatura positiva rilasciano energia, aumentano l’entropia delle cose intorno a loro, facendole comportare in modo più caotico. Tuttavia, quando gli oggetti con temperature negative rilasciano energia, possono effettivamente assorbire l’entropia.
Temperature negative sarebbero ritenute impossibili, poiché in genere non c’è un limite superiore alla quantità di energia che gli atomi possono avere, per quanto la teoria attualmente suggerisca. (C’è un limite alla velocità a cui possono viaggiare – secondo la teoria della relatività di Einstein, niente può accelerare a velocità superiori a quella della luce.)
Esperimento di fisica bizzarro
Per generare temperature negative, gli scienziati hanno creato un sistema in cui gli atomi hanno un limite alla quantità di energia che possono possedere. Prima hanno raffreddato circa 100.000 atomi a una temperatura positiva di qualche nanokelvin, o miliardesimo di kelvin. Hanno raffreddato gli atomi all’interno di una camera a vuoto, che li ha isolati da qualsiasi influenza ambientale che potrebbe potenzialmente riscaldarli accidentalmente. Hanno anche usato una rete di raggi laser e campi magnetici per controllare in modo molto preciso il comportamento di questi atomi, aiutando a spingerli in un nuovo regno di temperatura.
“Le temperature che abbiamo raggiunto sono negative nanokelvin”, ha detto Schneider a LiveScience.
La temperatura dipende da quanto gli atomi si muovono – quanta energia cinetica hanno. La rete di raggi laser ha creato una matrice perfettamente ordinata di milioni di punti luminosi di luce, e in questo “reticolo ottico”, gli atomi potevano ancora muoversi, ma la loro energia cinetica era limitata.
La temperatura dipende anche da quanta energia potenziale hanno gli atomi, e quanta energia risiede nelle interazioni tra gli atomi. I ricercatori hanno usato il reticolo ottico per limitare la quantità di energia potenziale degli atomi, e hanno usato campi magnetici per controllare molto finemente le interazioni tra gli atomi, rendendole attraenti o repulsive.
La temperatura è legata alla pressione – più qualcosa è caldo, più si espande verso l’esterno, e più qualcosa è freddo, più si contrae verso l’interno. Per assicurarsi che questo gas avesse una temperatura negativa, i ricercatori hanno dovuto dargli anche una pressione negativa, armeggiando con le interazioni tra gli atomi fino a quando si sono attratti l’un l’altro più di quanto si siano respinti a vicenda.
“Abbiamo creato il primo stato di temperatura assoluta negativa per particelle in movimento”, ha detto il ricercatore Simon Braun dell’Università di Monaco in Germania.
Nuovi tipi di motori
Le temperature negative potrebbero essere usate per creare motori termici – motori che convertono l’energia termica in lavoro meccanico, come i motori a combustione – che sono efficienti più del 100%, cosa apparentemente impossibile. Tali motori non assorbirebbero essenzialmente solo energia da sostanze più calde, ma anche da quelle più fredde. Come tale, il lavoro svolto dal motore potrebbe essere maggiore dell’energia presa dalla sola sostanza più calda.
Le temperature negative potrebbero anche aiutare a far luce su uno dei più grandi misteri della scienza. Gli scienziati si aspettavano che l’attrazione gravitazionale della materia rallentasse l’espansione dell’universo dopo il Big Bang, portandola infine a un punto morto o addirittura invertendola per un “Big Crunch”. Tuttavia, l’espansione dell’universo sta apparentemente accelerando, una crescita accelerata che i cosmologi suggeriscono possa essere dovuta all’energia oscura, una sostanza ancora sconosciuta che potrebbe costituire più del 70% del cosmo.
In modo molto simile, la pressione negativa del gas freddo creato dai ricercatori dovrebbe farlo collassare. Tuttavia, la sua temperatura negativa gli impedisce di farlo. Come tale, le temperature negative potrebbero avere interessanti paralleli con l’energia oscura che potrebbero aiutare gli scienziati a capire questo enigma.
Le temperature negative potrebbero anche far luce sugli stati esotici della materia, generando sistemi che normalmente non potrebbero essere stabili senza di loro. “Una migliore comprensione della temperatura potrebbe portare a nuove cose a cui non abbiamo ancora pensato”, ha detto Schneider. “Quando si studiano le basi in modo molto approfondito, non si sa mai dove si può arrivare.”
Gli scienziati hanno dettagliato i loro risultati nel numero del 4 gennaio della rivista Science.
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