zero assoluto

Cosa succede quando si raggiunge lo zero assoluto?

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Un gruppo di ricercatori dell’Università di Kyoto in Giappone e della Rice University negli Stati Uniti è riuscito a ottenere la temperatura più bassa mai raggiunta in laboratorio, molto più fredda dello spazio profondo, ancora riscaldato dal bagliore residuo del big bang, che è a 4,2 kelvin (-268,9 °C). Per ottenere ciò, hanno raffreddato un gas di Fermi di nuclei di itterbio, che si comporta come una materia SU(6), dove SU sta per gruppo di unità speciali, un modo matematico di descrivere la simmetria, e N=6 denota i possibili stati di spin di le particelle nel modello, utilizzando il raffreddamento laser.

Questa pietra miliare apre le porte allo sviluppo di nuovi materiali con proprietà inimmaginabili e all’osservazione di sistemi fisici che non possono essere spiegati dalle leggi della termodinamica. Dobbiamo ricorrere alla meccanica quantistica per avvicinarci alla loro comprensione. Questa è la temperatura più bassa mai raggiunta nell’intero universo a meno che una civiltà extraterrestre non stia effettuando questi stessi esperimenti da qualche parte nel cosmo e abbiano qualche vantaggio, ma cosa succede alla materia a temperature così basse? Quello che sappiamo è che l’attività degli atomi si fermerà assolutamente e accadranno cose strane.

Questo video animato mostra sei laser finemente sintonizzati utilizzati presso il Cold Atom Laboratory della NASA sulla Stazione Spaziale Internazionale per rallentare gli atomi e ridurne la temperatura
Questo video animato mostra sei laser finemente sintonizzati utilizzati presso il Cold Atom Laboratory della NASA sulla Stazione Spaziale Internazionale per rallentare gli atomi e ridurne la temperatura. NASA/JPL-Caltech

Ad esempio, a temperature prossime allo zero assoluto, l’elio diventa superfluido, stato caratterizzato dalla completa assenza di viscosità. Ciò significa che può attraversare pareti e qualsiasi tipo di materiale, poroso e non, e arrampicarsi sulle pareti dei contenitori che lo contengono. Tuttavia, a differenza della maggior parte dei materiali, non si blocca.

Elio liquido nella fase superfluida
Elio liquido nella fase superfluida. Alfred Leitner / Wikimedia commons

Dimmi come ti muovi e ti dirò a che temperatura sei

La temperatura è una misura macroscopica del grado di agitazione atomica e/o molecolare della materia. Maggiore è l’agitazione, maggiore è la temperatura. Nel caso di un gas monoatomico, come l’elio, l’agitazione è ridotta al moto browniano. Nei gas biatomici, come l’ossigeno, allo stato di agitazione devono essere aggiunte vibrazioni o oscillazioni interne, e così via.

Utilizzando il Cold Atom Lab della NASA, la prima struttura di fisica quantistica a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, i ricercatori hanno campionato atomi raffreddati a un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto e li hanno modellati in sfere cave estremamente sottili
Utilizzando il Cold Atom Lab della NASA, la prima struttura di fisica quantistica a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, i ricercatori hanno campionato atomi raffreddati a un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto e li hanno modellati in sfere cave estremamente sottili. NASACC DI

La prima persona a stabilire una scala di temperatura in modo obiettivo fu l’astronomo e fisico svedese Anders Celsius nel 1742. Celsius creò la scala che porta il suo nome (Celsius temperature scale), che divide l’intervallo di temperature tra i punti di fusione e di ebollizione acqua a pressione atmosferica in 100 divisioni o gradi.

Un secolo dopo la comparsa della scala Celsius, Lord Kelvin propose la scala della temperatura assoluta, il cui zero è, effettivamente, lo zero assoluto, corrispondente a -273,15℃. Questa scala ha una base fisica maggiore poiché a zero kelvin la materia smette di muoversi.

La temperatura alla quale la vita è possibile

La temperatura media sulla terraferma è di circa 14 ℃, con la temperatura più bassa registrata di -89,2 ℃ in Antartide e la più alta di 54,4 ℃ nella Death Valley, in California.

In realtà, se posizioniamo gli intervalli di temperatura in cui la vita come la conosciamo è possibile all’interno della scala di temperatura assoluta, ci renderemo conto che siamo più vicini allo zero assoluto che alle temperature più alte dell’universo. Ad esempio, la superficie della nostra stella, il Sole, è di circa 5.600 ℃. Non così il suo centro, la cui temperatura è stimata in 15 milioni di gradi kelvin.

Tutti tranquilli! Zero kelvin è vicino

A temperature molto elevate, tutti i tipi di materia si trasformano in gas e acquisiscono velocità di agitazione molto elevate. Al contrario, a temperature prossime allo zero assoluto, la materia si comporta in modo del tutto particolare. A rigor di termini, a zero kelvin, tutto il movimento si interrompe, anche gli elettroni in orbita attorno ai nuclei degli atomi.

Uno di questi comportamenti molto particolari, che si verifica in un tipo di materia (formata da bosoni come nuclei atomici con spin intero o particelle responsabili della trasmissione di una delle quattro forze fondamentali: fotoni, gluoni, ecc.), era stato previsto tempo fa oltre un secolo da Albert Einstein e dal fisico matematico Satyendra Nathan Bose.

Quando un insieme di bosoni raggiunge questo stato, cadono tutti al livello di energia più basso possibile. Questo stato della materia è chiamato condensato di Bose-Einstein, dal nome dei due fisici che lo avevano previsto.

Se invece della materia bosonica si tratta di materia fermionica, come nuclei di spin semi-intero, protoni, elettroni, ecc., lo stato della materia che viene raggiunto vicino allo zero assoluto è chiamato liquido di Fermi, simile a un gas di Fermi.

In alcuni casi di temperatura estremamente bassa, un liquido di Fermi può comportarsi come un superfluido, cioè un fluido a viscosità rigorosamente zero, che è in grado di risalire una parete verticale come l’elio.

Durante la s. La XIX scienza visse una corsa frenetica per raggiungere lo zero assoluto. E la ricerca continua. Ma ora, con le tecniche di raffreddamento laser, ci siamo davvero vicini.

Autore

Francisco Jose Torcal MillaUniversità di Saragozza