Temperaturi sub 0° Kelvin? Da și nu.

PopSci a publicat într-un articol recent că cercetători de la Institutul Max Planck și Universitatea Ludwig Maximilians, din Munchen, Germania au reușit să obțină temperaturi sub 0°K într-un experiment recent cu un gaz de atomi de potasiu. Se crede că obiecte la temperatură absolută negativă ar putea ajuta la înțelegerea energiei întunecate și la obținerea de motoare cu 100% eficiență, superconductoare de un tip nou sau chiar particule antigravitaționale.

Bineînțeles cele spuse mai sus sunt doar presupuneri, un fel de „ce ar fi dacă” pentru că nu se știu utilizările unui asemenea material. Cel puțin s-au obsevat două lucruri:

1. atomii din acest gaz se respingeau în loc să se atragă, pe cum era de așteptat
2. unii atomi, în loc să se lase supuși gravitației, au avut orientări în sensul opus (anti-gravitațional, dar să lăsăm exaltarea deoparte, da?)

Asemenea experimente trebuie repetate și demonstrate de mai multe grupuri de cercetători pentru a stabili o linie clară. Deocamdată se poate numi un caz fericit, dar cu o fundație clară deoarece temperaturile abosulte negative (articol principal) sunt o posibilitate teoretică și tehnică.

O problemă a definirii temperaturii

Cum de este posibilă obținerea unei temperaturi absolute negative? Fizica clasică și legile temodinamicii nu permit așa ceva. Curios lucru, nici măcar nu s-a trecut sub 0°K, în sens clasic, ba chiar s-au obținut temperaturi mai mari ca pe Soare. Aici întră în joc două câmpuri ale fizicii: fizica clasică și cea cuantică. La nivel clasic, experimentul nu a coborât sub zero Kelvin, dar la nivel quantic temperatura a ajuns la câțeva miliardimi de grad Kelvin sub zero, după ce a avut un salt pe la +∞. Citește mai departe să vezi de ce.

E important de ținut minte că lumea macro și micro se comportă oarecum diferit iar explicațiile și termenii folosiți într-o parte s-ar putea să nu ajute pe cum ne-am aștepta. Noi suntem tributari explicațiilor foarte vechi, de prin 1800 despre temperatură, care folosește termeni ca „rece” și „cald” pentru a defini acest concept.

De prin 1950 încoace există o altă definiție, care ia în calcul energia și entropia unui sistem, iar formulele matematice și graficele ce rezultă din noua formulare permit temperaturi absolute negative. Iar acest lucru era și este normal din punct de vedere teoretic, dar nu se demonstrase încă fizic.

În stilul clasic temperatura are un minim la 0°K dat de faptul că particulele nu au energie cinetică (nu se mișcă sus-jos, stânga-dreapta), adică sunt complet blocate în loc. Apoi, temperatura poate urca până la temperatura Planck, 10^32°K. Sub zero Kelvin și peste 10^32 grade Kelvin fizica clasică nu are explicații.

Privind temperatura sub aspectul energiei cinetice a particulelor din sistem, aceasta nu poate fi mai mare decât energia cinetică a particulelor care se deplasează cu maxim viteza luminii. Einstein a demonstrat că nu putem avea obiecte care să se deplaseze mai repede ca c, viteza luminii.

În explicația cu energie și entropie temperatura este văzută ca evoluând de-a lungul unui cerc. De la +0 absolut se junge până la +∞ (cantitatea maximă de energie pe care o poate stoca un sistem), coboară la -∞, apoi urcă până la -0. O explicație completă este dată pe Quora în legătură cu acest concept.

Termenul de „temperatură negativă” este la fel de relativ pe cum este și cel de temperatură. Pe scara Celsius zicem că avem temperaturi negative dacă temperatura coboară sub punctul triplu al apei (pe la 0,01°C sau 273,16°K).

Pe scurt, temperatura este măsura (cantitatea) energiei termice a unui sistem. În sensul clasic este suma tuturor energiilor cinetice a particulelor dintr-un sistem. Asta e valabil pentru fluide (gaze, lichide), pentru că acolo atomii sau moleculele pot zburda în voie. La solide temperatura sistemului este dată de vibrația particulelor. În sens cuantic temperatura este dată de raportul dintre energia termică și entropie.

Experimentul în care s-a obținut temperatură absolută negativă

Cercetători de la Universitatea Ludwig Maximilians (LMU), din Munchen, și Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică, din Garching, lângă Munchen (vecini cu ESO), au experimentat pe un gaz format din atomi de potasiu.

Ei au blocat 100 000 de atomi de potasiu într-o rețea de lasere și au limitat capacitatea atomilor de a se mișca. Dat fiind că temperatura este și o sumă a energiilor potențiale și a celor generate din interacțiunile dintre particule, cercetătorii au controlat inclusiv aceste aspecte. Este nevoie de acest control pentru a stabili limitele superioare de energie pe care atomii le pot avea.

În stare naturaă un asemenea sistem nu există, ai nevoie de lasere și magneți pentru a-l obține.

Așa cum explică PopSci:

Cercetătorii descriu sistemul lor folosindu-se de termeni ca văi sau dealuri. La zero absolut un grup de atomi nu are energie și nu se mișcă deloc, motiv pentru care toți atomii sunt în vale. Pe măsură ce temperatura crește peste zero absolut situația se schimbă, dar nu deodată pentru toți atomii, unii câștigă mai multă energie iar alții câștigă mai puțină, astfel că atomii au energii diferite și sunt răspândiți de-a lungul pantei, din vale către vârful dealului.

Fizica zice că starea cea mai dezordonată apare când există un număr egal de particule în fiecare punct al pantei și că acel punct este în vârful scării temperaturilor pozitive – dacă crești energia mai mult, particulele nu vor mai fi răspândite în mod egal iar entropia sistemului scade.

Pe scurt, te afli în zona pozitivă a temperaturii dacă ai un oarece număr de particule de energie înaltă pe vârful dealului și un număr mai mare de particule cu energie joasă în vale. Pentru a ajunge la temperatura absolută negativă cercetătorii Universității din Munchen au forțat modelul să se inverseze, punând mai multe particule de energie înaltă în vârf decât în vale.

Odată ce au reușit să obțină atomi de energie joasă s-au folosit de lasere pentru a crea mai multe particule de energie înaltă în acel gaz, creând o inversie a distribuției de energie întâlnită în în gazele din natură. Nu s-a coborât până la temperaturi sub zero absolut, ci s-a introdus energie în sistem până a ajuns la +∞ (maximul de energie care putea fi introdus în sistem), după care temperatura a ajuns la -∞ și a urcat până la câteva miliardimi sub zero Kelvin.

Cu alte cuvinte: temperatura trebuie privită ca o distribuire de particule cu energii diferite. Dacă inversezi modul normal, natural al acestor distribuții de energii se zice că intri în câmpul temperaturilor negative.

Disclaimer: cum nu sunt student și nici licențiat în fizica particulelor. E posibil să am ceva explicații greșite pe alocuri. Am scris după cum am reușit să înțeleg fenomenul.

Implicații ale existenței temperaturii absolute negative

Dat fiind că gazul obținut, deși avea presiune negativă, nu a a suferit un colaps ar putea ajuta la înțelegerea fenomenului energiei întunecate. Un alt lucru interesant este că sistemul, deși este sub zero absolut, cedează energie sistemelor mai calde. Termenii de cald și rece trebuie luați în sens cât se poate de relativ.

De asemenea, s-ar putea obține aparate anti gravitaționale? Nature a pomenit faptul că, dacă o parte dintr-un gaz are temperatură absolută negativă, atunci acea parte nu se va lăsa influențată de gravitație, ci chiar se va deplasa în sens opus.

Sau s-ar putea obține motoare cu eficiență mai bună decât 100% prin absorbirea energiei de la sistemele calde și reci deodată. Un lucru este clar: experimentul a arătat că trebuie să redefinim anumite concepte ale fizicii și că se pot obține lucruri foarte interesante care ar putea ajuta în viitor.

Listă de articole de citit:

• PopSci – Scientists Send A Cloud Of Atoms Plunging Below Absolute Zero
• New Scientist – Cloud of atoms goes beyond absolute zero
• Quora – How is it possible that scientists achieved a temperature that is lower than absolute zero?
• Live Science – Atoms Reach Record Temperature, Colder than Absolute Zero
• Red Orbit – Physicists Create First Negative Absolute Temperature State For Moving Particles
• Science Mag – Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom
• Nature – Quantum gas goes below absolute zero
• Science Friday – Negative Temperatures That Are Hotter Than the Sun
• Wiki – Temperatura Negativa / Articol principal temperatura negativa

Postscript: mituri și lucruri mai puțin știute despre temperatură

Așa cum am scris în articolul despre mituri legate de temperatură, trebuie să fim atenți la distincția dintre căldură și temperatură. Căldura este măsura transferului de energie termică dintre două corpuri iar temperatura este cantitatea de energie termică a unui sistem.

Vezi filmul de mai jos cu câteva experimente interesante:

Alt lucru care ne tot întrebăm: care este cea mai mare temperatură care poate exista în Univers? Dacă privești faptul că fiecare corp care are mai mult de zero absolut transmite un anume fel de radiație elecromagnetică (infraroșie, de exemplu), pot zice că cea mai mare temperatură din Univers poate fi Temperatura Planck, 10^32 grade, pentru că lungime de undă mai mică decât mărimea Planck nu poate exista.

Vezi mai multe detalii în filmul de mai jos:

După cum vezi subiectul temperaturii este unul cât se poate de fașcinant și ne arată o parte a Universului: totul este cald, dacă folosești instrumentele potrivite.