sabato 5 gennaio 2013

Raggiunte in laboratorio temperature sotto lo Zero Assoluto!!!

Nelle leggi della fisica che regolano il nostro Universo ci sono alcuni limiti che non possono mai essere oltrepassati. Il più famoso è quello della velocità della luce, descritto da Einstein, pari a 299.792.458 metri al secondo. Un altro è la costante di Plank, pari a 1.616.199 x 10-35, che è la lunghezza più piccola possibile. Un altro limite che si pensava invalicabile (e irraggiungibile) era quello della temperatura più bassa, 0° Kelvin o Zero Assoluto, ma gli scienziati della University of Munich ci sono riusciti.
La temperatura è legata alla velocità del movimento delle molecole che compongono un corpo. Più vanno veloci più aumenta l’“entropia” (cioè il disordine del sistema) e l’oggetto è considerato caldo. A 273,15 gradi sotto lo 0° Celsius (la temperatura a cui l’acqua congela), le molecole sono completamente ferme e la temperatura raggiunge lo Zero Assoluto (corrisponde al punto in cui le molecole e gli atomi hanno la minore energia termica possibile). Forse però sarebbe più opportuno dire “raggiungerebbe”, visto che le leggi delle termodinamica dicono che è impossibile rimuovere tutta l’energia da un sistema.

Raggiunte in laboratorio temperature sotto lo Zero Assoluto 

Un gruppo di ricercatori tedeschi (Ludwig Maximilian University) ha realizzato un esperimento che ha portato al raggiungimento di temperature inferiori allo zero assoluto, grazie a un sistema dotato energia ma con bassissima entropia.
Per comprendere di cosa si tratta sono necessari un paio di concetti fondamentali. Lo zero assoluto è la temperatura a cui tutta la mobilità molecolare si arresta, intesa come stato energetico. È un valore teorico, non raggiungibile in pratica. Almeno fino a oggi.
Oltre alla quantità di energia bisogna poi considerare l'entropia, che descrive in un certo senso la "quantità di caos" in un sistema, per esempio i diversi stati in cui gli atomi o le molecole si possono trovare in un dato momento, e tutte le possibili combinazioni. Con il ridursi della temperatura (energia) si riduce anche l'entropia e viceversa; allo zero assoluto corrisponde anche il minimo di entropia.
Possiamo pensare "a un insieme di biglie che si muovono in un flipper: ogni possibile  combinazione di velocità e direzione di ciascuna biglia è uno stato. Più colpisco le biglie con le pale del flipper (cioè più energia immetto nel sistema) e più sono i possibili stati, e quindi aumentando l'energia del sistema l'entropia aumenta", è l'esempio che ci ha fatto un nostro consulente.
Sono due quindi le variabili con cui abbiamo a che fare e che definiscono la temperatura: quantità di energia ed entropia. Esiste un limite inferiore, lo zero assoluto, ma non uno superiore. Almeno fino a oggi e fino a che non entra in gioco la meccanica quantistica, perché se l'entropia resta vicina allo zero ma aumenta la quantità di energia si può parlare di temperature negative assolute, ed è proprio questo che hanno realizzato gli scienziati dell'università tedesca. Hanno creato un sistema dove l'entropia ha un limite massimo, entro il quale la quantità di energia può aumentare.
Aggiungendo energia sempre più atomi raggiungono lo stato massimo, e di fatto l'entropia tende e diminuire. Chi ha fatto studi elementari sull'argomento potrebbe strabuzzare gli occhi, ma è un concetto affatto sconosciuto in fisica.
In pratica l'esperimento è stato realizzando creando un reticolo di atomi di potassio "tenuto insieme" da una combinazione di laser e campi magnetici. All'aumentare dell'energia il sistema è rimasto sotto controllo, e in questo modo se ne è limitata l'entropia. È quasi semplice, concettualmente: laser e magnetismo tenevano fermo il potassio, mentre un terzo lo gonfiava di energia; un comportamento da bulli di terz'ordine.
Il sistema così creato si è dimostrato stabile per qualche centinaio di millisecondi, sufficienti per studiare stati della materia sconosciuti o quasi. E anche per ipotizzare e verificare nuovi e insoliti metodi per trasferire l'energia: un sistema con temperatura negativa a contatto con uno "normale" dovrebbe in teoria generare un flusso energetico capace di creare "motori di Carnot con efficienza superiore a uno".



Ulrich Schneider e il suo team sono riusciti a creare quelle che possono essere definite “temperature negative” nel senso che possono essere considerate al di sotto dello Zero Assoluto. Si tratta di un processo estremamente complesso da descrivere e illustrare (se siete davvero interessati ad approfondirlo potete leggervi lo studio originale, pubblicato su Science). Sembrerebbe paradossale ma le temperature negative si comportano come se fossero più calde delle temperature più elevate possibili e, visto che il limite massimo della temperatura è l’infinito, sono di fatto più calde dell’infinità.
Gli scienziati tedeschi sono effettivamente riusciti a produrre le temperature negative in laboratorio, raffreddando alcuni bosoni di qualche nanoKelvin (miliardesimo di Kelvin) in negativo. Per farlo hanno prima creato un sistema in cui i bosoni dovessero avere un limite a quanta energia potessero avere. Prima li hanno raffreddati a pochi nanoKelvin sopra lo Zero Assoluto e isolati da qualsiasi influenza energetica esterna. Poi, attraverso dei laser e campi magnetici, hanno esercitato delle pressioni che li hanno “spinti” oltre la soglia dello 0° K, nel “regno” delle temperature negative.
"Per comprendere questo concetto dobbiamo immaginare la temperatura non come una linea che va da zero all’infinito, ma come un cerchio che, dopo i limiti massimi e minimi salta alle temperature negative", ha spiegato Schneider.
I gas a temperature negative si comportano in maniera molto bizzarra. Per esempio, l’energia tipicamente scorre dagli oggetti più caldi a quelli più freddi: nel caso di elementi a temperatura negativa, l’energia scorre sempre verso elementi con temperature positive. Un altro aspetto riguarda l’entropia, cioè la misura di quanto caotico sia un sistema. I corpi caldi (con molecole che si muovono rapidamente), rilasciando energia, aumentano l’entropia di tutto ciò che hanno intorno. I corpi a temperatura negativa, invece, rilasciando energia assorbono e riducono l’entropia circostante.
L’esperimento dell’’Università di Monaco potrebbe avere implicazioni epocali per molti segmenti della fisica, dallo studio dell’energia oscura a quello dei superconduttori e alla possibilità di operare motori oltre il 100% del loro potenziale. Infatti i motori a combustione trasformano il calore in energia meccanica: trasformando in energia anche i materiali freddi sarebbe possibile creare motori che, in un certo senso, creino più energia del loro limite massimo.
Per quanto riguarda lo studio dell’energia oscura, cioè la ragione per cui l’Universo, nonostante l’attrazione gravitazionale tra le galassie, stia accelerando la sua espansione, anche in questo caso il concetto di temperature negative potrebbe risultare determinante, in quanto fornirebbe una spiegazione plausibile: così come le temperature negative impediscono al gas raffreddato in laboratorio di collassare su sé stesso, potrebbero fare lo stesso per l’intero Universo.



Per approfondimenti vedere:
* "L'ENERGIA OSCURA: il 65% del contenuto energetico dell'Universo... il restante 35% è massa!!!tico dell'Universo... il restante 35% è massa!!!" ... giugno 2012.
L'ENERGIA OSCURA: il 65% del contenuto energetico ... 

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1 commento:

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