sabato 5 gennaio 2013

FISICA: OTTENUTA UNA TEMPERATURA ASSOLUTA NEGATIVA

"Ottenuta temperatura assoluta inferiore allo zero assoluto", titolano oggi fonti come l'agenzia ANSA e diversi quotidiani nazionali.

Rappresentazione artistica di distribuzioni termiche: 
per temperature positive (sfere blu) la maggior parte degli atomi 
occupano stati di bassa energia e solo pochi atomi hanno alte energie. 
Per  temperature negative (sfere rosse), la distribuzione è invertita
e la maggior parte degli atomi occupano stati ad alta energia.
L'asse verticale rappresenta l'energia.
Immagine: LMU/MPQ Munich
In realtà certi sistemi semi-isolati possono raggiungere temperature negative che tuttavia non sono propriamente più fredde dello zero assoluto. 

Possono essere pensati come sistemi con temperatura più grande dell'infinito. 

Lo zero assoluto è la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico, e corrisponde a 0 K
(–273,15 °C).

Simon Braun e colleghi della Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen, Germania, hanno ottenuto una temperatura negativa assoluta spostando alcuni atomi di un gas ultrafreddo in sistemi di  spin localizzati .

Ad una temperatura infinita, gli atomi occuperebbero  tutti gli stati di energia. Temperature negative quindi sono l'opposto di temperature positive - gli atomi occuperebbero con più probabilità gli stati ad alta energia.
"La distribuzione di Boltzmann vede il suo segno invertito, e questo è ciò che abbiamo raggiunto", ha detto il ricercatore Ulrich Schneider, fisico presso l'Università di Monaco di Baviera, in Germania. "Ma il gas non è più freddo di zero Kelvin, ma ancora più caldo che in qualsiasi temperatura positiva. La scala di temperatura semplicemente non finisce all'infinito, ma salta invece  a valori negativi."

La distribuzione termica di Boltzmann può essere illustrata con delle sfere (gli atomi) che sono distribuite su un paesaggio collinare, che fornisce sia un limite inferiore che superiore per l'energia potenziale delle stesse.

A temperature positive (figura a sinistra), comuni nella vita di tutti i giorni, la maggior parte delle sfere si trovano nella valle intorno al minimo dell'energia potenziale. Hanno a malapena la possibilità di  muoversi, e quindi hanno anche minima energia cinetica.

A temperatura infinita (figura centrale) le sfere si distribuiscono uniformemente sia sulle energie basse che quelle alte. Qui, tutti gli stati di energia sono ugualmente probabili.

A temperature negative (figura a destra), la maggior parte delle sfere si sposta  sulla cima della collina, al limite superiore dell'energia potenziale. Anche la loro energia cinetica è massima. Gli stati di energia con grande energia totale sono occupati più di quelli con piccole energia totale - la distribuzione di Boltzmann dunque è invertita.


LA FISICA DELL'ULTRAFREDDO 

I risultati, pubblicati sul numero di Science di questa settimana  aprono dunque  nuove strade nello studio del comportamento della materia.  In vicinanza dello zero assoluto, infatti, la natura inizia a evidenziare comportamenti strabilianti. L'elio liquido comincia a scorrere senza alcun attrito, altri materiali diventano invece dei superconduttori.
Questi, e altri effetti altrettanto sorprendenti, fanno della fisica delle bassissime temperature una delle aree scientifiche più affascinanti. Infatti è solo a temperature bassissime che si evidenzia in maniera così plateale la natura quantistica della materia, grazie anche alle leggi statistiche scoperte da Bose e Einstein nel 1920.

Come ci si potrebbe aspettare, gli oggetti con temperature negative si comportano in modo ancora più strano. Per esempio se in genere gli oggetti più caldi riscaldano gli oggetti più freddi fino a raggiungere una temperatura comune,  nel caso di temperature negative si assiste un passaggio inverso di energia: quelli a temperatura negativa sono sempre più caldi di quelli con temperature positive.

Un'altra conseguenza ha a che fare con l'entropia, che è una misura di quanto un sistema è disordinato. Normalmente gli oggetti a energia positiva aumentano l'entropia di un sistema, il che rende il  comportamento del sistema più caotico. Invece, quando oggetti con temperature negative rilasciano energia, si può effettivamente verificare un'assorbimento di entropia.

Per generare temperature negative, gli scienziati hanno in primo luogo hanno raffreddato circa 100.000 atomi ad una temperatura positiva di pochi nanoKelvin, o miliardesimo di kelvin. Raffreddati gli atomi all'interno di una camera a vuoto, li hanno isolati da eventuali influenze ambientali che potevano riscaldare accidentalmente il gas.

Hanno anche usato una rete di raggi laser e campi magnetici per controllare con grande precisione come questi atomi si comportavano.

"Le temperature che abbiamo ottenuto sono negative di alcuni nanoKelvin,"  ha detto  Schneider

La temperatura dipende dalla quantità di movimento degli atomi (detta quantità di energia cinetica)  La ragnatela di raggi laser hanno creato un  "reticolo ottico," che ha confinato gli atomi limitando la loro energia cinetica.

La temperatura dipende anche da quanto gli atomi hanno energia potenziale, e quanta energia è nelle interazioni tra gli atomi. I ricercatori hanno perciò utilizzato il reticolo ottico per limitare la quantità di energia potenziale che gli atomi possedevano, e hanno usato i campi magnetici per esercitare un controllo molto fine sulle interazioni tra gli atomi.

La temperatura è collegata inoltre con la pressione: più qualcosa è caldo, più si espande verso l'esterno, mentre più una cosa è fredda e più si contrae verso l'interno. Per assicurarsi che questo gas abbia una temperatura negativa, i ricercatori hanno dovuto esercitare una pressione negativa facendo interagire  gli atomi fino a quando non fossero attratti l'un l'altro più di quanto non fossero respinti l'un l'altro.


APPLICAZIONI FUTURE 

Temperature negative potrebbero essere utilizzate per creare nuovi motori termici - motori, cioè,  che convertono l'energia termica in lavoro meccanico, ma con una efficienza senza precedenti.

Temperature negative potrebbero anche contribuire a far luce su uno dei più grandi misteri della scienza. Gli scienziati hanno ipotizzato infatti che l'attrazione gravitazionale della materia possa rallentare l'espansione dell'universo cominciata dopo il Big Bang, e addirittura fare retromarcia in un "Big Crunch". Tuttavia, si è visto che l'espansione dell'universo sta in realtà accelerando, e la crescita è accelerata secondo i cosmologi a causa della energia oscura, una energia non ancora classificata che dovrebbe essere presente in oltre il 70 per cento del cosmo.

Le temperature negative potrebbero avere interessanti parallelismi con l'energia oscura e potrebbero aiutare gli scienziati a far luce su questo enigma. Così come le temperature negative impediscono al gas raffreddato in laboratorio di collassare su sé stesso, la stessa cosa potrebbe essere spiegabile  per l’intero Universo.

Le temperature negative potrebbero anche spiegare gli stati più esotici della materia: "Una migliore comprensione della temperatura potrebbe portare a cose nuove che non abbiamo nemmeno pensato finora", ha dichiarato Schneider. "Quando si studiano questi sistemi in modo molto approfondito, non si sa mai dove si può arrivare."



Citano questo articolo: 

Temperatura Assoluta Negativa? 
di Francesca Magni, fisico, su Linx Magazine (Pearson Italia SpA)


Note: 

L'articolo su "Science":  www.sciencemag.org/content/339/6115/52

Qui l'articolo completo scaricabile in PDF http://arxiv.org/abs/1211.0545

il sito della Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen
www.quantum-munich.de/media/negative-absolute-temperature



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