Qual è la temperatura più bassa che può esistere?

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Come suggerisce il nome, il limite del freddo si trova in quello che chiamiamo zero assoluto. Questo valore è esattamente di -273,15 gradi Celsius e viene preso come origine della scala assoluta della temperatura: la scala Kelvin. Pertanto, lo zero assoluto corrisponde a zero Kelvin e zero gradi Celsius corrispondono a 273,15 Kelvin.

Ma vediamo come si è potuto arrivare a questa esatta cifra (anticipiamo che non è stato un compito facile).

Amontons avverte che c’è una temperatura minima

Agli inizi del XVIII secolo, il fisico francese Guillaume Amontons eseguì una serie di esperimenti con i gas, confermando la legge di Boyle-Mariotte. Questa legge dice che il prodotto della pressione per il volume occupato da un gas è costante ad una data temperatura. Cioè, se aumentiamo la pressione, il volume diminuisce nella stessa proporzione. Ad esempio se raddoppiamo il primo il secondo verrà dimezzato.

Usando un termometro a mercurio, Amontons dimostrò che la pressione dell’aria diminuiva con la temperatura. Da lì ipotizzò che se la temperatura fosse stata sufficientemente ridotta, sarebbe arrivato il momento in cui detta pressione sarebbe stata pari a zero. Lo scienziato francese concluse che sarebbe stato impossibile scendere al di sotto di quel limite, che stimò essere a 248 ºC sotto zero (o -248 ºC).

Diversi scienziati hanno ripetuto gli esperimenti di Amontons o di altri simili, fornendo stime diverse dello zero assoluto. Ad esempio, Jean-Henri Lambert la collocò, a metà del XVIII secolo, a -270 ºC. Nel 1802, Louis Joseph Gay-Lussac trovò il valore di -266,7 ºC (anche se, a differenza di Amontons o Lambert, pensava che lo zero assoluto non esistesse realmente, poiché la legge dei gas da lui scoperta non sarebbe valida alle basse temperature).

Quei calcoli erano così diversi perché venivano effettuati estrapolando dati da temperature vicine alla temperatura ambiente. Il margine di errore era molto ampio. Alla fine fu William Thomson (Lord Kelvin) che riuscì a fare i calcoli correttamente, nel 1848, e a stabilire la scala di temperatura che porta il suo nome, fissando lo zero assoluto a -273 ºC. Era un valore praticamente identico a quello attuale.

La corsa fredda

Per tutto il XIX secolo ci fu una vera e propria corsa al freddo. Gli scienziati hanno lavorato duramente per ottenere temperature sempre più basse nei loro laboratori. Michael Faraday (1791-1867) raggiunse i -33ºC liquefacendo l’ammoniaca. Riuscì anche a trasformare in liquidi altri gas come il cloro o il benzene.

Louis Cailletet lo raggiunse nel 1877 con l’ossigeno, a -140 ºC. E sei anni dopo, lo scienziato polacco Karol Olszewski ha battuto il record liquefacendo l’aria a -195ºC.

Alla fine del XIX secolo si stabilì una certa rivalità tra lo scozzese James Dewar, Olszewski e l’olandese Heike Kamerlingh Onnes. Dewar calpestò e registrò la liquefazione dell’idrogeno a -252,8 ºC. Ma fu Kamerlingh Onnes a prendere l’iniziativa di trasformare in liquido il più difficile di tutti i gas: l’elio. Lo fece nel 1908 all’incredibile temperatura di -269,15 ºC.

Dopo il successo di Dewar, Kamerlingh Onnes capì che la liquefazione dell’elio richiedeva grandi strutture e trascorse diversi anni a creare il suo laboratorio a bassa temperatura. Non solo disponeva di un’officina meccanica, di un laboratorio di soffiatura del vetro e di un laboratorio chimico, ma creava anche scuole per formare le professionalità necessarie. Il laboratorio di Kamerlingh Onnes ha tenuto per 15 anni l’esclusiva mondiale sulla liquefazione dell’elio.

Perché è impossibile raggiungere lo zero assoluto?

Ma fino a dove potrà arrivare questa corsa? La teoria cinetica dei gas stabilisce che i processi termici sono una conseguenza del movimento microscopico di atomi e molecole. Secondo questa teoria, gli atomi e le molecole che compongono un gas si muovono in modo casuale e incessante in tutte le direzioni. Mentre la temperatura è la misura dell’agitazione media di queste molecole, la pressione indica la forza che esercitano rimbalzando sulle pareti che le contengono.

Dal punto di vista della fisica classica, lo zero assoluto corrisponde al punto in cui le molecole del gas non si muovono e, quindi, non esercitano pressione sulle pareti. Ma la fisica quantistica – che governa il minuscolo mondo di atomi e particelle – ha cambiato questo panorama.

Tra le peculiarità della fisica quantistica c’è il cosiddetto principio di indeterminazione di Heisenberg. Questa legge vieta ad una particella di restare ferma, poiché in tal caso la sua posizione e la sua velocità sarebbero conosciute con assoluta precisione, cosa che il principio esclude espressamente. Le sostanze pure allo zero assoluto hanno un’energia molto piccola, sì, ma diversa da zero.

I lavori teorici di Walther Nernst e Max Planck all’inizio del XX secolo portarono a un’altra legge importante: la terza legge della termodinamica. Intimamente legata alla teoria quantistica, ha la conseguenza diretta che lo zero assoluto è irraggiungibile.

Ma anche se non è possibile ottenerlo rigorosamente, è possibile avvicinarsi molto ad esso. Le attuali tecniche, che utilizzano potenti raggi laser per rallentare le molecole – provocandone così il raffreddamento – consentono di ottenere temperature dell’ordine di appena milionesimi di grado sopra lo zero assoluto.

La fisica delle basse temperature è una fonte continua di nuove scoperte

Schema della formazione del condensato di Bose-Einstein
Schema della formazione del condensato di Bose-Einstein, che si forma quando un gruppo di atomi raggiunge una temperatura molto prossima allo zero assoluto. NIST/JILA/CU-Boulder / Wikimedia Commons

Così, utilizzando il raffreddamento laser, Eric Cornell e Carl Wieman riuscirono a creare il primo condensato di Bose-Einstein nel 1995, che valse loro il Premio Nobel per la fisica nel 2001. Un condensato di Bose-Einstein è uno stato della materia in cui si trovano tutte le particelle lo stesso livello quantico: quello dell’energia più bassa possibile, chiamato anche stato fondamentale.

Il condensato di Cornell e Wieman era costituito da atomi di rubidio raffreddati a 0,17 microKelvin, cioè appena 0,17 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Senza dubbio è la frontiera estrema del freddo.