Come è stato possibile ottenere temperature assolute negative, ovvero al di sotto dello zero assoluto? Facciamo un po’ di chiarezza.

In uno studio pubblicato sulla rivista Science già nel 2013, si ottenne un sistema quantistico con temperatura pari ad alcuni nanokelvin sotto lo zero assoluto. Tale risultato venne raggiunto, per la prima volta, da un gruppo di ricercatori della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco di Baviera e del Max-Planck-Institut per l’ottica quantistica a Garching.

Se hai già avuto modo di leggere Zero assoluto: a che temperatura corrisponde e perché non si può superare, l’argomento del presente articolo potrebbe, forse, sconvolgerti. In realtà, quello precedente si limitava alla fisica classica, mentre in questa sede consideriamo anche quella quantistica.

Rappresentazione artistica di un raffreddamento laser. Credit: New Electronics.

Ma andiamo con ordine. Iniziamo ricordando che, per definizione, la temperatura assoluta è legata a come il “grado di disordine” varia rispetto a l’aumento di energia interna di un sistema fisico. In particolare, se “riscaldando” un sistema di particelle noti che il suo “disordine” aumenta, allora la sua temperatura è positiva; se invece in tal modo il disordine diminuisce, allora temperatura è negativa.

Soffermiamoci un attimo sul significato di «aumento del disordine».

Assumiamo che il sistema che ci interessa analizzare sia inizialmente estremamente freddo; nel caso limite, ciò si traduce nell’avere tutte le particelle al livello energetico minimo: in particolare, questo vuol dire che esse sono tutte al medesimo livello, il ché è un caso piuttosto ordinato (sarebbe come porre tutti i libri sulla mensola più bassa di uno scaffale).

Ma, man mano che riscaldiamo il sistema in questione, le particelle acquisiscono ulteriore energia: in tal modo, esse iniziano a distribuirsi casualmente sui vari livelli energetici superiori; un caso, invece, decisamente più disordinato (l’analogo di riporre i libri a caso sulle diverse mensole dello scaffale).

Supposiamo, adesso, che ci sia anche un livello energetico massimo (come, a volte, effettivamente accade in meccanica quantistica); riscaldando ulteriormente le particelle, allora, queste si accumulano su tale livello: siamo così tornati a un caso ordinato, ovvero in cui tutte le particelle sono nuovamente a uno stesso livello (proprio come sistemare tutti i libri solo sulla mensola più alta)! Ecco una semplice animazione di quel che hai letto fin’ora:

Rappresentazione della ridistribuzione delle particelle sui livelli energetici possibili all’aumentare dell’energia: nota che, fornendo energia al sistema, le particelle passano dal livello energetico minore a quello maggiore. Copyright: pubblico dominio.

Ricapitolando: nella fase iniziale, l’apporto di “calore” ha aumentato il disordine (dalla già citata definizione, segue che la temperatura assoluta è positiva), mentre nella fase finale quest’ultimo è diminuito (all’opposto, pertanto, la temperatura assoluta è divenuta negativa).

In altre parole, il “riscaldamento” finale ha portato la temperatura assoluta da positiva a negativa: essa ha raggiunto il lato opposto rispetto allo zero assoluto, anche se l’ha fatto senza passarci attraverso. Possiamo concludere, in un certo senso, che fa più “caldo” con le temperature assolute negative che con quelle positive.

Nel già citato studio, tutto ciò è stato ricreato in laboratorio: l’esperimento consisteva nel racchiudere un gas atomico ultrafreddo – composto da centinaia di migliaia di atomi di potassio precedentemente portati a uno stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein – in un cosiddetto reticolo ottico, mediante appositi campi magnetici e raggi laser.

Fonti: Scientific American, Nature, Max Planck Society, Le Scienze, Science.

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