Oltre Einstein – La corsa allo zero assoluto…

Werner Karl Heisenberg

Di un altro “Sacro Graal” scientifico… con un video molto interessante. Enjoy!

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Lo zero assoluto è la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico e corrisponde a 0 K (–273,15 °C). Si può mostrare con le leggi della termodinamica che la temperatura non può mai essere esattamente pari allo zero assoluto, anche se è possibile raggiungere temperature molto vicine ad esso. Allo zero assoluto le molecole e gli atomi di un sistema sono tutte allo stato fondamentale (ovvero il più basso livello di energia possibile) e il sistema ha il minor quantitativo possibile di energia cinetica permesso dalle leggi della fisica. Questa quantità di energia è piccolissima, ma sempre diversa da zero. Questa energia minima corrisponde all’energia di punto zero, prevista dalla meccanica quantistica per tutti i sistemi che abbiano un potenziale confinante.

Indice

1 Descrizione
2 Terzo principio della termodinamica
3 Applicazioni e proprietà dei corpi a basse temperature
4 Temperatura negativa
5 Note
6 Bibliografia
7 Voci correlate

Descrizione

Lo zero assoluto non può essere raggiunto in base a tre leggi fisiche:

Il teorema di Nernst, anche chiamato terzo principio della termodinamica, afferma che serve una quantità di energia infinita per raffreddare un corpo fino allo zero assoluto. Il raggiungimento dello zero assoluto è contrario all’aumento di entropia nei sistemi isolati: il principio dell’aumento di entropia in sé non vieta che lo zero assoluto sia raggiungibile nei sistemi aperti. Tuttavia, l’entropia, misurata in joule/kelvin, darebbe luogo a una forma indeterminata del tipo 0/0, annullandosi il calore o energia (joule) ed essendo posta a zero la temperatura (kelvin).
Principio di indeterminazione di Heisenberg: energia E e tempo t, o anche impulso P e posizione Q sono variabili canonicamente coniugate. Se un sistema raggiungesse lo zero assoluto, potremmo dire con certezza quale è la sua temperatura T, cioè 0. Ma se conosciamo T, allora conosciamo anche E, cioè l’energia ad essa associata, anch’essa uguale a 0. Analogamente, è nota la posizione del corpo che è fermo allo zero assoluto; dandogli un impulso dall’esterno, sarebbero note entrambe le variabili. Conoscendo E senza incertezze avremmo t infinitamente indeterminato, e conoscendo P senza incertezze avremmo Q infinitamente indeterminato.
Energia di punto zero: il livello energetico più basso raggiungibile da un atomo è livello energetico del punto zero, che, pur essendo infinitesimo, non è mai nullo. Il sistema avrà sempre una determinata energia di tipo cinetico, un determinato calore e quindi una temperatura poco al di sopra dello zero assoluto. L’energia di punto zero è in realtà collegata al principio di indeterminazione di Heisenberg.

Inoltre, secondo il decadimento esponenziale, procedendo al dimezzamento costante, non si arriverà mai allo zero. Si consideri poi che le differenze tra le temperature quando prossimi allo zero k non possono essere valutate allo stesso modo delle differenze tra temperature “ambientali”: se tra 100 e 100,1 vi è solo un millesimo di differenza, tra 0,1 k e 0,2 k vi è la stessa differenza che vi è tra 100 e 200, cioè il doppio, e non semplicemente 0,1; questo sia in tutti i termini fisici che nell’energia e lavoro necessari al cambiamento.

Nel caso di atomi liberi a temperature prossime allo zero assoluto, la maggior parte dell’energia è in forma di movimento traslazionale e la temperatura può essere misurata in termini di velocità di tale movimento, con velocità inferiori corrispondenti a temperature inferiori. Allo zero assoluto (puramente teorico) gli elettroni smettono di muoversi (sia come orbita che come spin) e aderiscono al nucleo; gli atomi aderiscono gli uni agli altri, senza più alcuna forza magnetica a separarli; lo spazio è pressoché annullato. A causa degli effetti della meccanica quantistica la velocità allo zero assoluto non è esattamente zero, ma dipende, così come l’energia, dalle dimensioni dello spazio nel quale l’atomo è confinato.

A temperature molto basse, prossime allo zero assoluto, la materia esibisce molte proprietà inusuali, quali la superconduttività, la superfluidità e la condensazione di Bose-Einstein. Per poter studiare tali fenomeni, gli scienziati hanno elaborato metodi per ottenere temperature sempre più basse. Al 2005, la temperatura più bassa mai ottenuta è stata di 450 pK, conseguita da Wolfgang Ketterle e colleghi al Massachusetts Institute of Technology.

La Nebulosa Boomerang è stata recentemente scoperta come il posto più freddo conosciuto, al di fuori dei laboratori, con una temperatura di soli −272 °C (1 K). La nebulosa è a 5 000 anni luce dalla Terra (nella costellazione del Centauro).
Terzo principio della termodinamica

L’impossibilità di raggiungere lo zero assoluto è una conseguenza del secondo principio della termodinamica, che normalmente è espresso come la proprietà dell’entropia di un sistema chiuso di non poter mai diminuire. Allo zero assoluto lo stato di disordine molecolare (misurato dall’entropia del sistema) raggiungerebbe il suo valore minimo, definito solo dalla degenerazione dello stato fondamentale. Questo fatto è espresso da quello che nella letteratura scientifica è noto come terzo principio della termodinamica o teorema di Nernst.

Per capire cosa sia lo zero assoluto bisogna tener presente che la temperatura è in qualche modo una misura dell’energia interna di un corpo, intesa come somma di energia cinetica e potenziale. Raggiungere lo zero assoluto significherebbe quindi in qualche modo azzerare l’energia cinetica traslazionale e rotazionale delle molecole che compongono il corpo. A questo punto le molecole che lo compongono si fermano completamente e la temperatura è la più bassa possibile: questa temperatura si chiama zero assoluto.

Lo zero assoluto esiste solo come punto limite asintotico in quanto tale temperatura non è raggiungibile, né teoricamente né tanto meno praticamente. Allo zero assoluto, per esempio, le particelle sarebbero completamente ferme e sarebbero ben determinate sia la loro posizione sia la loro velocità, cosa impossibile per il principio di indeterminazione di Heisenberg della meccanica quantistica. Studi degli anni cinquanta hanno anche dato una nuova spiegazione dell’impossibilità di raggiungere lo zero assoluto. Il modello classico delle molecole descrive le stesse come un sistema di oscillatori armonici facendole assomigliare ad una molla infinitamente piccola che vibra in continuo. Per questa rappresentazione, le molecole vengono descritte con la legge di Hooke F= -kx (F forza elastica di richiamo; k costante elastica; x elongazione). Tale modello viene superato con la proposizione del modello quantistico dove si enuncia che l’energia di vibrazione è quantizzata e assume valori determinabili con la formula Evibr.= (n + ½) hν (n numero quantico vibrazionale che assume valori che vanno da 0 a ∞; h costante di Planck e υ frequenza della vibrazione)

Nello stato di vibrazione fondamentale (quello che dovrebbe assumere la molecola allo 0 assoluto) l’E risulta pari a ½ si deduce quindi che la molecola è sempre e comunque in vibrazione e non stabile.
Applicazioni e proprietà dei corpi a basse temperature

Gli scienziati mediante l’uso di speciali macchine termiche sono riusciti a portare un corpo ad un solo milionesimo di °C dallo zero assoluto. Alle bassissime temperature effetti quantistici diventano macroscopicamente rilevanti. Per esempio alcuni conduttori a temperature bassissime subiscono una transizione di fase quantistica ad uno stato in cui cessano di avere resistenza elettrica. Tali materiali sono detti superconduttori e permetterebbero di eliminare le perdite nelle linee elettriche.

Similmente alcuni fluidi a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto perdono completamente la viscosità diventando superfluidi.

Le proprietà vibrazionali di alcuni corpi a così basse temperature vengono ad assumere particolarità curiose, che si discostano dalle normali onde. È raggiunto infatti un comportamento discreto tipico delle particelle quantistiche ed è introdotto quindi il concetto di quanto vibrazionale, detto fonone.
Temperatura negativa

Certi sistemi semi-isolati, come un sistema di spin non interagenti in un campo magnetico, possono essere portati in determinate configurazioni per cui durante una transizione risultano trovarsi in uno stato a temperatura negativa, tuttavia non sono in realtà più “fredde” dello zero assoluto; dal punto di vista di uno strumento di misurazione della temperatura “classica” è come se per un momento si trovassero a una temperatura negativa. Questo concetto è collegato alla nozione più moderna di temperatura di un sistema, la quale può essere vista come una distribuzione di probabilità delle energie a cui si trovano le sue particelle. Parlare di qualcosa che sia più freddo dello zero assoluto può sembrare in effetti assurdo, ma solo perché intuitivamente si fa riferimento alla definizione di scala assoluta della temperatura introdotta da Lord Kelvin intorno alla metà del XIX secolo. In realtà possono verificarsi situazioni in cui, fornendo energia al sistema, questo invece di diventare più disordinato diventa più ordinato. Dal punto di vista matematico, un sistema a temperatura assoluta negativa si comporta come se fosse un sistema a temperatura infinita.

Questo tipo di fenomeno è associato, in particolare, all’inversione di popolazione come quella che si ottiene nelle cavità risonanti dei laser convenzionali.

Nel 2013 un gruppo di ricercatori dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera e dell’Istituto Max Planck di fisica del plasma di Garching bei München ha portato una nuvola di atomi di potassio (circa 100 000) a una temperatura inferiore allo zero assoluto di qualche nanokelvin, partendo da uno stato di Condensato di Bose-Einstein.[1][2]

(tratto dalla relativa pagina di Wikipedia Italia, grazie ai bravissimi redattori sosteniamo Wikipedia)