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Una temperatura inferiore allo zero assoluto

 

Gli atomi a temperatura assoluta negativa sono i sistemi più caldi del mondo.

Ciò che è normale per la maggior parte delle persone in inverno è stato finora impossibile in fisica: una temperatura negativa.

Sulla scala Celsius le temperature meno sono sorprendenti solo in estate. Sulla scala di temperatura assoluta, che viene utilizzata dai fisici ed è anche chiamata scala di Kelvin, non è possibile andare sotto lo zero – almeno non nel senso di diventare più freddo di zero kelvin.

Secondo il significato fisico della temperatura, la temperatura di un gas è determinata dal movimento caotico delle sue particelle: più freddo è il gas, più lente sono le particelle. A zero kelvin (-273,15 gradi Celsius) le particelle smettono di muoversi e tutti i disturbi scompaiono.

Pertanto, nulla può essere più freddo dello zero assoluto sulla scala Kelvin.

I fisici dell’Università Ludwig-Maximilians di Monaco e del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching hanno ora creato un gas atomico in laboratorio che ha comunque valori Kelvin negativi.

Queste temperature assolute negative hanno diverse conseguenze apparentemente assurde: sebbene gli atomi nel gas si attraggano l’un l’altro e generino una pressione negativa, il gas non collassa – un comportamento che è anche ipotizzato per l’energia oscura nella cosmologia.

Con l’aiuto di temperature assolute negative si possono anche realizzare motori termici presumibilmente impossibili come un motore a combustione con un’efficienza termodinamica superiore al 100%.

Sebbene gli atomi nel gas si attraggano a vicenda e generino una pressione negativa, il gas non collassa – un comportamento che è anche postulato per l’energia oscura nella cosmologia.

Per far bollire l’acqua, è necessario aggiungere energia. Mentre l’acqua si riscalda, le molecole d’acqua aumentano la loro energia cinetica nel tempo e si muovono sempre più velocemente in media.

Tuttavia, le singole molecole possiedono energie cinetiche diverse, da molto lente a molto veloci. Gli stati a bassa energia sono più probabili degli stati ad alta energia, cioè solo poche particelle si muovono molto velocemente. In fisica, questa distribuzione è chiamata distribuzione Boltzmann.

I fisici hanno ora realizzato un gas in cui questa distribuzione è esattamente invertita: molte particelle possiedono energie elevate e solo alcune hanno energie basse. Questa inversione della distribuzione di energia significa che le particelle hanno assunto una temperatura assoluta negativa.

Una temperatura negativa può essere raggiunta solo con un limite superiore per l’energia

Il significato di una temperatura assoluta negativa può essere meglio illustrato con sfere rotolanti in un paesaggio collinare, dove le valli rappresentano una bassa energia potenziale e le colline per un’alta.

Più velocemente si muovono le sfere, maggiore è anche la loro energia cinetica: se si inizia a temperature positive e si aumenta l’energia totale delle sfere riscaldandole, le sfere si diffonderanno sempre più nelle regioni ad alta energia.

Se fosse possibile riscaldare le sfere a temperatura infinita, ci sarebbe un’eguale probabilità di trovarle in qualsiasi punto del paesaggio, indipendentemente dall’energia potenziale.

Se uno potesse ora aggiungere ancora più energia e quindi riscaldare ulteriormente le sfere, preferibilmente si riunirebbero in stati ad alta energia e sarebbero anche più caldi che a temperatura infinita. La distribuzione di Boltzmann sarebbe invertita, e la temperatura quindi negativa.

A prima vista può sembrare strano che una temperatura assoluta negativa sia più calda di una positiva.

Questa è semplicemente una conseguenza della definizione storica di temperatura assoluta, tuttavia; se fosse definita diversamente, questa apparente contraddizione non esisterebbe.

Questa inversione della popolazione degli stati energetici non è possibile nell’acqua o in qualsiasi altro sistema naturale poiché il sistema dovrebbe assorbire una quantità infinita di energia – un’impresa impossibile!

Tuttavia, se le particelle possiedono un limite superiore per la loro energia, come la cima della collina nel panorama energetico potenziale, la situazione sarà completamente diversa.

I ricercatori hanno ora realizzato un tale sistema di un gas atomico con un limite di energia superiore nel loro laboratorio.

Nel loro esperimento, gli scienziati hanno prima raffreddato circa centomila atomi in una camera a vuoto a una temperatura positiva di qualche miliardesimo di Kelvin e li hanno catturati in trappole ottiche fatte di raggi laser.

Il vuoto ultraelevato circostante garantisce che gli atomi siano perfettamente isolati termicamente dall’ambiente. I raggi laser creano un cosiddetto reticolo ottico, in cui gli atomi sono sistemati regolarmente nei siti reticolari.

In questo reticolo, gli atomi possono ancora spostarsi da un sito all’altro tramite l’effetto tunnel, ma la loro energia cinetica ha un limite superiore e quindi possiede il limite di energia superiore richiesto.

La temperatura, tuttavia, si riferisce non solo all’energia cinetica, ma all’energia totale delle particelle, che in questo caso include l’interazione e l’energia potenziale.

I fisici portano quindi gli atomi a questo limite superiore dell’energia totale – realizzando così una temperatura negativa, a meno qualche miliardesimo di kelvin.

A temperature negative un motore può fare più lavoro

Se le sfere possiedono una temperatura positiva e giacciono in una valle con la minima energia potenziale, questo stato è ovviamente stabile – questa è la natura come la conosciamo. Se le sfere si trovano sulla cima di una collina alla massima energia potenziale, di solito rotolano giù e quindi convertono la loro energia potenziale in energia cinetica. Se le sfere hanno una temperatura negativa, tuttavia, la loro energia cinetica sarà già così grande che non può aumentare ulteriormente.

Le sfere quindi non possono rotolare giù e rimangono in cima alla collina. Il limite di energia rende quindi stabile il sistema!

Lo stato di temperatura negativo nel loro esperimento è effettivamente stabile quanto uno stato di temperatura positivo. Abbiamo così creato il primo stato di temperatura assoluta negativa per le particelle in movimento.

La materia a temperatura assoluta negativa ha tutta una serie di conseguenze sorprendenti: con il suo aiuto, si potrebbero creare motori termici come i motori a combustione con un’efficienza superiore al 100%.

Ciò non significa, tuttavia, che venga violata la legge sulla conservazione dell’energia. Invece, il motore potrebbe non solo assorbire energia dal mezzo più caldo e quindi funzionare, ma, al contrario del solito caso, anche dal mezzo più freddo.

A temperature puramente positive, il mezzo più freddo si riscalda inevitabilmente in contrasto, assorbendo quindi una porzione dell’energia del mezzo caldo e limitando così l’efficienza.

Se il mezzo caldo ha una temperatura negativa, è possibile assorbire energia da entrambi i media contemporaneamente.

Il lavoro svolto dal motore è quindi maggiore dell’energia prelevata dal solo mezzo più caldo – l’efficienza è superiore al 100 percento.

Il raggiungimento dei fisici di Monaco potrebbe inoltre essere interessante per la cosmologia, dal momento che il comportamento termodinamico della temperatura negativa mostra parallelismi con la cosiddetta energia oscura.

I cosmologi postulano l’energia oscura come la forza inafferrabile che accelera l’espansione dell’Universo, sebbene il cosmo dovrebbe in effetti contrarsi a causa dell’attrazione gravitazionale tra tutte le masse.

Esiste un fenomeno simile nella nuvola atomica nel laboratorio di Monaco: l’esperimento si basa sul fatto che gli atomi nel gas non si respingono come in un normale gas, ma interagiscono invece in modo attraente.

Ciò significa che gli atomi esercitano una pressione negativa anziché positiva. Di conseguenza, la nuvola atomica vuole contrarsi e dovrebbe davvero collassare, proprio come ci si aspetterebbe per l’Universo sotto l’effetto della gravità.

Ma a causa della sua temperatura negativa ciò non accade.

Il gas viene salvato dal collasso proprio come l’Universo!

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