La temperatura può scendere sotto lo zero assoluto? Cosa succede allora? Salta fuori all’altra estremità del termometro come Pac-Man e diventa infinitamente caldo? Beh, più o meno, e il concetto apparentemente stravagante è in realtà sorprendentemente comune in fisica.
Un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters descrive un sistema in cui la temperatura negativa è usata per spiegare un fenomeno strano ma reale nel nostro mondo fisico.
Gli scienziati descrivono un sistema fisico che è sia sotto lo “zero assoluto” che sopra il “caldo assoluto” allo stesso tempo.
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Ma prima di capire come le temperature possano essere capovolte, dovrai reimparare il significato di temperatura.
La temperatura negativa è più calda del caldo
La maggior parte delle persone probabilmente ha imparato a scuola che la temperatura è fondamentalmente solo una misura di quanto vigorosamente le particelle di un sistema si agitano: Una temperatura elevata significa un sacco di scosse, e lo zero assoluto significa assolutamente nessuna scossa. Mentre questa interpretazione può funzionare per capire la temperatura nel vostro forno, non è l’intero quadro.
Per cominciare, la temperatura non è semplicemente l’energia media di tutte le particelle in un sistema. È in realtà legata alla distribuzione di queste energie. Immaginate le particelle come mattoni in un edificio, con l’altezza di ogni mattone che riflette l’energia di ogni particella. A basse temperature, l’edificio assomiglia a una piramide che è corta e grassa in basso. A temperature più alte, la piramide diventa più alta e più magra. Questa tendenza continua con l’aumentare della temperatura, fino alla cosiddetta “alta temperatura assoluta”, dove la piramide si trasforma in un’unica colonna che si estende da terra all’infinito verso il cielo. È qui che le cose cominciano a diventare strane.
Se si riesce in qualche modo a spingere il sistema un passo oltre il “massimo assoluto”, la forma piramidale improvvisamente riemerge, ma questa volta è capovolta: ogni strato ora contiene più mattoni di quello sottostante, con infiniti mattoni in cima all’infinitamente alto. Ecco che arriva la parte ancora più strana: quando questo accade, la “temperatura” nell’equazione che descrive la forma di questa “piramide” diventa effettivamente negativa.
Una piramide rovesciata sempre più grande e infinitamente alta può sembrare troppo ridicola anche solo per pensarci. Idem per una temperatura negativa che è in qualche modo più calda dell’infinito. Ma se smettiamo di pensare alle energie delle particelle come energie cinetiche illimitate, la temperatura negativa è in realtà un parametro molto reale che può essere usato per descrivere la distribuzione di altri tipi di energie all’interno di un sistema fisico.
“Questa non è necessariamente la temperatura nel senso classico – c’è una distinzione tra i diversi modi in cui la temperatura è usata per misurare le proprietà di un sistema”, ha detto Stefan Hilbert, un fisico dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco in Germania non coinvolto nel documento. Per esempio, si può avere un sistema con questa cosiddetta “inversione di popolazione” – dove ci sono più parti del sistema in uno stato eccitato che in uno stato di energia inferiore.”
In altre parole, i sistemi fisici che in qualche modo limitano la “piramide” a un numero finito di livelli possono effettivamente essere invertiti. Per vedere questo meccanismo all’opera, non c’è niente di meglio di un semplice puntatore laser.
Applicazioni nel mondo reale per un concetto fuori dal mondo
Ogni volta che si clicca su un puntatore laser, si attinge alla magia dell'”inversione di popolazione”. Gli atomi vengono “pompati” da un livello di energia più basso a uno più alto, e poi ricadono giù, emettendo luce nel processo.
Oggi, gli scienziati stanno scoprendo modi per manipolare altri sistemi fisici eccitabili. Lo spin – l’entità che determina le proprietà magnetiche di un atomo – è tra gli argomenti più caldi nella ricerca sulla temperatura negativa.
“Prima dei laser, la gente pensava che se hai un mucchio di spin non puoi eccitare più della metà di loro perché quello è lo stato più caldo possibile”, ha detto Kae Nemoto, un ricercatore del National Institute of Informatics di Tokyo e un autore del documento.
Ma gli scienziati hanno dimostrato che non è vero. Nel loro articolo, Nemoto e i suoi colleghi descrivono un modo specifico per impostare un sistema di spin in modo tale che una parte della sua popolazione preferisce essere il più invertita possibile. In altre parole, a differenza dei laser, dove è necessario “pompare” costantemente gli atomi nel livello superiore, parti del loro sistema di spin fluiscono effettivamente verso l’alto in modo naturale.
“, c’è un’inversione di popolazione, ma non è davvero uno stato costante. Si può popolare lo stato eccitato, ma gli atomi non rimarranno lì per molto, molto tempo”, ha detto William Munro, un ricercatore della Nippon Telegraph and Telephone Corporation e un altro autore dell’articolo.
Nemoto, Munro, e il loro collega Yusuke Hama del RIKEN Center for Emergent Matter Science di Saitama, Giappone, hanno scoperto che se ci sono due sacche separate di atomi con spin che condividono un serbatoio con una temperatura fissa, le due tasche non raggiungono necessariamente un equilibrio alla fine.
Quando le due sacche sono di uguali dimensioni, anche quando una ha iniziato con tutte le rotazioni nello stato superiore e l’altra con tutte nello stato inferiore, col tempo, entrambe le sacche finiscono nel mezzo, con metà delle rotazioni nello stato superiore e metà in quello inferiore.
Ma succede qualcosa di particolare quando le due tasche sono di dimensioni diverse. Per esempio, se la tasca A contiene più rotazioni della tasca B, mentre tutte le rotazioni nella tasca A sono nello stato superiore e tutte le rotazioni nella tasca B sono nello stato inferiore, allora le due non si rilassano entrambe verso lo stato più basso possibile come quello di un laser. Invece, tutte le rotazioni nella tasca B fluirebbero verso lo stato più alto. In altre parole, la tasca B preferisce essere nello stato più invertito possibile. Questa rivelazione può guidare gli sforzi futuri per manipolare i sistemi magnetici che sono onnipresenti nelle applicazioni moderne.
“L’idea di temperature negative è importante per interpretare i risultati sperimentali di molti sistemi fisici, soprattutto per questi sistemi di spin”, ha detto Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
