Che cos'è lo zero assoluto nella scienza?

Lo zero assoluto è definito come il punto in cui non è possibile rimuovere più calore da un sistema, secondo la scala di temperatura assoluta o termodinamica. Ciò corrisponde a zero Kelvin, o meno 273,15 C. Questo è zero sulla scala di Rankine e meno 459,67 F.

La classica teoria cinetica ipotizza che lo zero assoluto rappresenti l'assenza di movimento di singole molecole. Tuttavia, l'evidenza sperimentale mostra che non è così: al contrario, indica che le particelle allo zero assoluto hanno un movimento vibratorio minimo. In altre parole, mentre il calore non può essere rimosso da un sistema allo zero assoluto, lo zero assoluto non rappresenta lo stato di entalpia più basso possibile.

Nella meccanica quantistica, lo zero assoluto rappresenta la più bassa energia interna della materia solida nel suo stato fondamentale.

Zero assoluto e temperatura

La temperatura viene utilizzata per descrivere quanto è caldo o freddo un oggetto. La temperatura di un oggetto dipende dalla velocità alla quale oscillano i suoi atomi e molecole. Sebbene lo zero assoluto rappresenti le oscillazioni alla velocità più lenta, il loro movimento non si ferma mai completamente.

È possibile raggiungere lo zero assoluto

Finora non è possibile raggiungere lo zero assoluto, sebbene gli scienziati lo abbiano affrontato. Il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha raggiunto una temperatura a freddo record di 700 nK (miliardesimi di kelvin) nel 1994. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno stabilito un nuovo record di 0,45 nK nel 2003.

Temperature negative

I fisici hanno dimostrato che è possibile avere una temperatura Kelvin (o Rankine) negativa. Tuttavia, ciò non significa che le particelle siano più fredde dello zero assoluto; piuttosto, è un'indicazione che l'energia è diminuita.

Questo perché la temperatura è una quantità termodinamica relativa all'energia e all'entropia. Man mano che un sistema si avvicina alla sua massima energia, la sua energia inizia a diminuire. Ciò si verifica solo in circostanze speciali, come negli stati di quasi-equilibrio in cui lo spin non è in equilibrio con un campo elettromagnetico. Ma tale attività può portare a una temperatura negativa, anche se viene aggiunta energia.

Stranamente, un sistema a temperatura negativa può essere considerato più caldo di uno a temperatura positiva. Questo perché il calore viene definito in base alla direzione in cui scorre. Normalmente, in un mondo a temperatura positiva, il calore scorre da un luogo più caldo come una stufa calda a un luogo più freddo come una stanza. Il calore fluirebbe da un sistema negativo a un sistema positivo.

Il 3 gennaio 2013, gli scienziati hanno formato un gas quantico costituito da atomi di potassio che avevano una temperatura negativa in termini di gradi di libertà di movimento. Prima di questo, nel 2011, Wolfgang Ketterle, Patrick Medley e il loro team hanno dimostrato la possibilità di una temperatura assoluta negativa in un sistema magnetico.

Una nuova ricerca sulle temperature negative rivela ulteriori comportamenti misteriosi. Ad esempio, Achim Rosch, un fisico teorico dell'Università di Colonia, in Germania, ha calcolato che gli atomi a una temperatura assoluta negativa in un campo gravitazionale potrebbero spostarsi "verso l'alto" e non solo "verso il basso". Il gas sottozero può imitare l'energia oscura, che costringe l'universo ad espandersi sempre più velocemente contro l'attrazione gravitazionale interna.

fonti

Merali, Zeeya. "Il gas quantico scende sotto lo zero assoluto". Natura, Mar. 2013. doi: 10.1038 / natura.2013.12146.

Medley, Patrick, et al. "Raffreddamento a smagnetizzazione con gradiente di spin di atomi ultrafreddi." Physical Review Letters, vol. 106, n. 19 maggio 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.