Poate temperatura să scadă sub zero absolut? Ce se întâmplă atunci? Apare la celălalt capăt al termometrului ca Pac-Man și devine infinit de fierbinte? Ei bine, cam așa ceva, iar conceptul aparent trăsnit este de fapt surprinzător de comun în fizică.
Un articol recent publicat în Physical Review Letters descrie un sistem în care temperatura negativă este folosită pentru a explica un fenomen ciudat, dar real, din lumea noastră fizică.
Cercetătorii descriu un sistem fizic care se află atât sub „zero absolut”, cât și deasupra „căldurii absolute” în același timp.
Creditul imaginii: Myriams-Fotos via (CC 0)
Dar înainte de a înțelege cum pot fi răsturnate temperaturile, va trebui să reînvățați semnificația temperaturii.
Temperatura negativă este mai caldă decât fierbinte
Cei mai mulți oameni au învățat probabil la școală că temperatura este practic doar o măsură a cât de viguros se agită particulele dintr-un sistem: O temperatură ridicată înseamnă multe scuturări, iar zero absolut înseamnă absolut nicio scuturare. Deși această interpretare poate funcționa pentru a înțelege temperatura din cuptorul dumneavoastră, ea nu reprezintă întreaga imagine.
Pentru început, temperatura nu este pur și simplu energia medie a tuturor particulelor dintr-un sistem. Ea este de fapt legată de distribuția acestor energii. Imaginați-vă particulele ca niște cărămizi într-o clădire, cu înălțimea fiecărei cărămizi reflectând energia fiecărei particule. La temperaturi scăzute, clădirea seamănă cu o piramidă care este scurtă și grasă în partea de jos. La temperaturi mai ridicate, piramida devine mai înaltă și mai slabă. Această tendință continuă pe măsură ce temperatura crește, până la ceea ce se numește temperatura „absolut ridicată” – unde piramida se transformă într-o singură coloană, care se întinde de la sol la infinit spre cer. Aici lucrurile încep să devină ciudate.
Dacă reușiți cumva să împingeți sistemul cu o treaptă dincolo de „maxima absolută”, forma piramidei reapare brusc, dar de data aceasta este răsturnată – fiecare strat conține acum mai multe cărămizi decât cel de dedesubt, cu un număr infinit de cărămizi în vârful infinit de înalt. Aici vine partea și mai ciudată – când se întâmplă acest lucru, „temperatura” din ecuația care descrie forma acestei „piramide” devine de fapt negativă.
O piramidă răsturnată, în continuă expansiune și infinit de înaltă, poate părea prea ridicolă ca să te gândești la ea. La fel și pentru o temperatură negativă care este cumva mai fierbinte decât infinitul. Dar dacă încetăm să ne mai gândim la energiile particulelor ca la energii cinetice nelimitate, temperatura negativă este de fapt un parametru foarte real care poate fi folosit pentru a descrie distribuția altor tipuri de energii în interiorul unui sistem fizic.
„Aceasta nu este neapărat temperatura în sensul clasic – există o distincție între diferitele moduri în care temperatura este folosită pentru a măsura proprietățile unui sistem”, a declarat Stefan Hilbert, un fizician de la Universitatea Ludwig Maximilian din München, Germania, care nu este implicat în lucrare. „De exemplu, puteți avea un sistem cu această așa-numită „inversiune a populației” – în care există mai multe părți ale sistemului într-o stare excitată decât într-o stare de energie inferioară.”
Cu alte cuvinte, sistemele fizice care limitează cumva „piramida” la un număr finit de niveluri pot fi de fapt inversate. Pentru a vedea acest mecanism la lucru, nu căutați mai departe de banalul pointer laser.
Aplicații în lumea reală pentru un concept ieșit din comun
De fiecare dată când faceți clic pe un pointer laser, intrați în magia „inversării populației”. Atomii sunt „pompați” de la un nivel energetic inferior la un nivel energetic superior, iar apoi cad înapoi, emițând lumină în acest proces.
Astăzi, oamenii de știință descoperă modalități de a manipula alte sisteme fizice excitabile. Spinul – entitatea care determină proprietățile magnetice ale unui atom – se numără printre cele mai fierbinți subiecte de cercetare în domeniul temperaturii negative.
„Înainte de lasere, oamenii credeau că, dacă ai o grămadă de spini, nu poți excita mai mult de jumătate dintre ei, deoarece aceasta este cea mai fierbinte stare posibilă”, a declarat Kae Nemoto, cercetător la Institutul Național de Informatică din Tokyo și unul dintre autorii lucrării.
Dar, de atunci, oamenii de știință au demonstrat că acest lucru nu este adevărat. În lucrarea lor, Nemoto și colegii săi descriu o modalitate specifică de a configura un sistem de spin astfel încât o parte din populația sa preferă de fapt să fie cât mai inversată posibil. Cu alte cuvinte, spre deosebire de lasere, unde este nevoie să se „pompeze” în mod constant atomi la un nivel superior, părți ale sistemului lor de spin curg de fapt în mod natural în sus.
„, există o inversare a populației, dar nu este cu adevărat o stare stabilă. Puteți popula starea excitată, dar atomii nu vor rămâne acolo pentru foarte, foarte mult timp”, a declarat William Munro, un cercetător de la Nippon Telegraph and Telephone Corporation și un alt autor al lucrării.
Nemoto, Munro și colegul lor Yusuke Hama de la RIKEN Center for Emergent Matter Science din Saitama, Japonia, au descoperit că, dacă există două buzunare separate de atomi cu spini care împart un rezervor cu o temperatură fixă, cele două buzunare nu ajung neapărat la un echilibru în final.
Când cele două buzunare sunt egale ca mărime, chiar dacă unul a început cu toți spinii în starea superioară, iar celălalt cu toți în starea inferioară, în timp, ambele buzunare ajung la mijloc, cu jumătate din spini în starea superioară și jumătate în cea inferioară.
Dar se întâmplă ceva ciudat atunci când cele două buzunare sunt de dimensiuni diferite. De exemplu, dacă buzunarul A conține mai multe spini decât buzunarul B, în timp ce toți spinii din buzunarul A sunt în starea superioară și toți spinii din buzunarul B sunt în starea inferioară, atunci cele două nu se relaxează amândouă spre cea mai joasă stare posibilă, ca în cazul unui laser. În schimb, toate spinii din buzunarul B vor curge spre starea superioară. Cu alte cuvinte, buzunarul B preferă, de fapt, să se afle în cea mai inversă stare posibilă. Această revelație poate ghida eforturile viitoare de manipulare a sistemelor magnetice care sunt omniprezente în aplicațiile moderne.
„Ideea de temperaturi negative este importantă pentru interpretarea rezultatelor experimentale ale multor sisteme fizice, în special pentru aceste sisteme de spin”, a declarat Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
