Pode a temperatura cair abaixo de zero absoluto? O que acontece então? Será que ele aparece na outra extremidade do termômetro como o Pac-Man e fica infinitamente quente? Bem, mais ou menos, e o conceito aparentemente louco é surpreendentemente comum em física.
Um recente artigo publicado em Physical Review Letters descreve um sistema onde a temperatura negativa é usada para explicar um fenômeno estranho mas real em nosso mundo físico.
Os cientistas descrevem um sistema físico que está tanto abaixo de “zero absoluto” quanto acima de “quente absoluto” ao mesmo tempo.
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Mas antes que você possa entender como as temperaturas podem ser viradas de cabeça para baixo, você precisará reaprender o significado de temperatura.
Temperatura negativa é mais quente que quente
A maioria das pessoas provavelmente aprendeu na escola que a temperatura é basicamente apenas uma medida de quão vigorosamente as partículas em um sistema tremem: Uma temperatura alta significa muito tremor, e zero absoluto significa absolutamente nenhum tremor. Embora esta interpretação possa funcionar para entender a temperatura no seu forno, não é o quadro completo.
Para começar, a temperatura não é simplesmente a energia média de todas as partículas de um sistema. Na verdade, ela está relacionada com a distribuição dessas energias. Imagine partículas como tijolos em um edifício, com a altura de cada tijolo refletindo a energia de cada partícula. A baixas temperaturas, o edifício parece semelhante a uma pirâmide que é curta e gorda no fundo. A temperaturas mais altas, a pirâmide cresce mais alta e mais magra. Esta tendência continua à medida que a temperatura sobe, até ao que é conhecido como a temperatura “absolutamente alta” – onde a pirâmide se transforma numa única coluna, estendendo-se do chão infinitamente em direcção ao céu. É aqui que as coisas começam a ficar estranhas.
Se você puder de alguma forma empurrar o sistema um passo além da “alta absoluta”, a forma da pirâmide reaparece de repente, mas desta vez cada camada contém agora mais tijolos do que a camada abaixo dela, com infinitos tijolos no topo infinitamente alto. Aqui vem a parte ainda mais estranha – quando isto acontece, a “temperatura” na equação descrevendo a forma desta “pirâmide” na verdade torna-se negativa.
Uma pirâmide sempre em expansão e infinitamente alta de cabeça para baixo pode soar demasiado ridícula para sequer pensar. Idem para uma temperatura negativa que é de alguma forma mais quente que infinita. Mas se pararmos de pensar nas energias das partículas como energias cinéticas sem limites, a temperatura negativa é na verdade um parâmetro muito real que pode ser usado para descrever a distribuição de outros tipos de energias dentro de um sistema físico.
“Esta não é necessariamente a temperatura no sentido clássico – há uma distinção entre as diferentes formas como a temperatura é usada para medir as propriedades de um sistema”, disse Stefan Hilbert, um físico da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, na Alemanha, não envolvido no trabalho. “Por exemplo, você pode ter um sistema com esta chamada ‘inversão de população’ – onde há mais partes do sistema em estado excitado do que em estado de menor energia”
Em outras palavras, sistemas físicos que de alguma forma limitam a “pirâmide” a um número finito de níveis podem, na verdade, ser invertidos. Para ver este mecanismo a funcionar, não procure mais longe do que o despretensioso apontador laser.
Aplicações reais do mundo para um conceito fora deste mundo
A cada vez que você clica num apontador laser, você toca na magia da “inversão de população”. Os átomos são “bombeados” de um nível de energia mais baixo para um nível de energia mais alto, e então eles caem para baixo, emitindo luz no processo.
Hoje, os cientistas são descobertas maneiras de manipular outros sistemas físicos excitáveis. Spin – a entidade que determina as propriedades magnéticas de um átomo – está entre os tópicos mais quentes na pesquisa de temperatura negativa.
“Antes dos lasers, as pessoas pensavam que se você tem um monte de spins você não pode excitar mais da metade deles porque esse é o estado mais quente possível”, disse Kae Nemoto, uma pesquisadora do Instituto Nacional de Informática em Tóquio e autora do trabalho.
Mas os cientistas têm mostrado que isso não é verdade. No seu artigo, Nemoto e os seus colegas descrevem uma forma específica de criar um sistema de spin de tal forma que uma parte da sua população prefere realmente ser o mais invertida possível. Em outras palavras, ao contrário dos lasers, onde se precisa “bombear” constantemente átomos para o nível superior, partes de seu sistema de spin realmente fluem naturalmente para cima.
“, há uma inversão de população, mas não é realmente um estado estável. Você pode povoar o estado excitado, mas os átomos não vão ficar lá por muito, muito tempo”, disse William Munro, um pesquisador da Nippon Telegraph and Telephone Corporation e outro autor no artigo.
Nemoto, Munro, e seu colega Yusuke Hama do RIKEN Center for Emergent Matter Science em Saitama, Japão, descobriram que se há duas bolsas separadas de átomos com giros compartilhando um reservatório com uma temperatura fixa, as duas bolsas não necessariamente alcançam um equilíbrio no final.
Quando as duas bolsas são iguais em tamanho, mesmo quando uma começou com todas as giros no estado superior, e a outra todas no estado inferior, com o tempo, ambas as bolsas terminam no meio, com metade dos giros no estado superior, e metade no inferior.
Mas algo peculiar acontece quando os dois bolsos são de tamanhos diferentes. Por exemplo, se o Bolso A contém mais giros que o Bolso B, enquanto todas as giros no Bolso A estão no estado superior e todas as giros no Bolso B estão no estado inferior, então os dois não relaxam ambos para o estado mais baixo possível, como o de um laser. Em vez disso, todas as piruetas no Bolso B fluem para o estado superior. Em outras palavras, o Bolso B na verdade prefere estar no estado mais invertido possível. Esta revelação pode orientar futuros esforços para manipular os sistemas magnéticos que estão omnipresentes nas aplicações modernas.
“A idéia de temperaturas negativas é importante para interpretar os resultados experimentais de muitos sistemas físicos, especialmente para estes sistemas de spin”, disse Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
