Alcuni sistemi fisici possono avere una temperatura negativa sulla scala assoluta. Queste temperature non sono più fredde dello zero, ma ‘più calde dell’infinito’.

Nel mondo della fisica quantistica, le sorprese non finiscono mai. Proprio quando si pensava di aver raggiunto i limiti estremi della temperatura con lo zero assoluto, un gruppo di ricercatori tedeschi ha dimostrato che è possibile spingersi oltre, in un territorio prima considerato puramente teorico: le temperature negative assolute. Ma cosa significa una temperatura negativa assoluta? Non si tratta di temperature più fredde dello zero assoluto, bensì, paradossalmente, di temperature “più calde dell’infinito”. Questo concetto, che a prima vista sembra violare le leggi della termodinamica, è in realtà il risultato di un’interpretazione sofisticata della fisica quantistica e apre nuove prospettive nello studio della materia e dell’universo.

Dalla fisica classica a quella quantistica

Temperatura zero assoluto


Per temperature assolute positive, gli stati a bassa energia sono i più popolati, mentre in presenza di temperature negative si verifica l’opposto: le particelle occupano prevalentemente stati ad alta energia. Crediti: LMU e MPG Munich.

L’esperimento, condotto nel 2013, ha utilizzato un gas ultrafreddo di atomi di potassio in uno stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein. In queste condizioni estreme, il comportamento del gas si inverte rispetto a quello che osserviamo nelle condizioni “normali”: gli stati energetici più alti diventano più popolati rispetto a quelli a bassa energia. Per comprendere questo fenomeno, dobbiamo prima riconsiderare il concetto di temperatura dal punto di vista della fisica quantistica. Nella fisica classica, la temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle particelle in un sistema. Più le particelle si muovono velocemente, più alta è la temperatura. Tuttavia, a livello quantistico, la temperatura è legata a come l’entropia di un sistema varia rispetto alla sua energia.

In un sistema “normale”, l’entropia aumenta con l’energia, risultando in una temperatura positiva. Ma in determinate condizioni, come quelle create dai ricercatori tedeschi, l’entropia può diminuire con l’aumento dell’energia. Questo porta a una temperatura negativa in termini assoluti. L’inversione della temperatura assoluta comporta cambiamenti notevoli nel comportamento dei sistemi. Ad esempio, in un sistema a temperatura positiva, un gas riscaldato tende ad espandersi. Al contrario, in un sistema a temperatura negativa assoluta, il gas si contrae quando viene riscaldato. Analogamente, mentre normalmente il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo, in un sistema a temperatura negativa questo processo si inverte, e il calore può muoversi dal corpo più freddo a quello più caldo.

Ma come hanno fatto i ricercatori a creare queste condizioni estreme? La chiave è stata l’utilizzo di un gas di atomi di potassio ultrafreddo, intrappolato in un reticolo ottico. Questo setup ha permesso di creare un sistema con un limite superiore per l’energia, una condizione necessaria per ottenere temperature negative assolute. “Abbiamo creato un gas con una distribuzione energetica invertita: molte particelle hanno energie elevate e solo poche energie basse,” spiegano gli autori dello studio. “Questa inversione significa che le particelle hanno raggiunto una temperatura negativa assoluta.” Dal punto di vista matematico, un sistema a temperatura negativa assoluta si comporta come se fosse a “temperatura infinita”. Questo perché la distribuzione dell’energia è completamente ribaltata rispetto alla distribuzione di Boltzmann tipica delle temperature positive. In altre parole, c’è una maggiore probabilità di trovare il sistema in stati ad alta energia piuttosto che in stati a bassa energia.

Le implicazioni di questa scoperta sono potenzialmente enormi. I sistemi a temperatura negativa potrebbero aiutare a comprendere meglio l’energia oscura, la misteriosa forza che pervade l’universo e ne causa l’espansione accelerata. Questo collegamento tra la fisica quantistica e la cosmologia potrebbe aprire nuove strade per risolvere uno dei più grandi enigmi della fisica moderna. Inoltre, lo studio di questi sistemi estremi potrebbe portare a progressi significativi nella comprensione dei sistemi quantistici complessi. Come notano gli autori dello studio, “Le temperature negative ampliano considerevolmente lo spazio dei parametri per le simulazioni quantistiche nei reticoli ottici”. Questo potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di tecnologie quantistiche, come i computer quantistici o nuovi materiali con proprietà esotiche.

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