Un gruppo di ricercatori dell’Università di Kyoto, in Giappone, e dell’Università di Rice, negli Stati Uniti, ha ottenuto in laboratorio la temperatura più bassa mai raggiunta, 3 miliardi di volte più fredda dello spazio profondo, che è ancora riscaldato dal bagliore del Big Bang e si trova a -268,95 °C o 4,2 kelvin. Per ottenere questo risultato, hanno raffreddato un gas di Fermi di nuclei di Itterbio, che si comporta come una materia SU(6), dove SU significa gruppo unitario speciale, una forma matematica per descrivere la simmetria, e N=6 indica i possibili stati di spin delle particelle nel modello, utilizzando il raffreddamento laser.
Questo traguardo apre le porte allo sviluppo di nuovi materiali con proprietà inimmaginabili e alla possibilità di osservare sistemi fisici che non possono essere spiegati dalle leggi della termodinamica, ma richiedono la meccanica quantistica per avvicinarsi alla loro comprensione. Si tratta della temperatura più bassa mai raggiunta in tutto l’universo, a meno che una civiltà extraterrestre non stia conducendo gli stessi esperimenti da qualche parte nel cosmo e abbia un certo vantaggio su di noi. Ma cosa succede alla materia a temperature così basse? Sappiamo che l’attività degli atomi si fermerà del tutto e si verificheranno fenomeni molto strani.
Un esempio: a temperature vicine allo zero assoluto, l’elio diventa un superfluido, uno stato caratterizzato dalla totale assenza di viscosità. Questo gli consente di attraversare pareti e qualsiasi tipo di materiale, poroso o meno, e persino di risalire le pareti dei contenitori. Tuttavia, a differenza della maggior parte degli elementi, non si solidifica.
Indice
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 sarà 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.
La prima persona a stabilire una scala di temperature in modo oggettivo fu l’astronomo e fisico svedese Anders Celsius nel 1742. Celsius creò la scala che porta il suo nome, che divide l’intervallo tra i punti di fusione ed ebollizione dell’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 terrestre è di circa 14°C, la temperatura più bassa mai registrata è di -89,2°C in Antartide e la più alta di 54,4°C nella Valle della Morte, in California.
Se posizioniamo gli intervalli di temperatura in cui è possibile la vita così come la conosciamo all’interno della scala assoluta delle temperature, ci rendiamo conto che siamo più vicini allo zero assoluto che alle temperature più alte dell’universo. Ad esempio, la superficie della nostra stella, il Sole, si trova a circa 5.600°C. Non così il suo centro, la cui temperatura è stimata a 15 milioni di gradi kelvin.
Tutti immobili! Lo zero kelvin è vicino
A temperature elevatissime, ogni tipo di materia si trasforma in gas e acquisisce altissime velocità di agitazione. Al contrario, a temperature vicine allo zero assoluto la materia si comporta in modo molto particolare. Rigorosamente, a zero kelvin, ogni movimento si ferma, compreso quello degli elettroni che orbitano intorno al nucleo degli atomi.
Uno di questi comportamenti particolari, che si manifesta in un tipo di materia (quella composta da bosoni come nuclei atomici con spin intero o particelle responsabili della trasmissione di una delle quattro forze fondamentali: fotoni, gluoni, ecc.), è stato previsto più di un secolo fa da Albert Einstein e dall’esperto di fisica matematica 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 si tratta invece di materia fermionica, come nuclei con spin semi-intero, protoni, elettroni, ecc., lo stato della materia che si ottiene 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, ovvero un fluido con viscosità pari a zero, che è in grado di risalire una parete verticale, come avviene con l’elio.
Durante il XIX secolo, la scienza visse una trepidante corsa per raggiungere lo zero assoluto. E la ricerca continua. Ma ora, con le tecniche di raffreddamento laser, siamo davvero vicini.
