Temperature negative?

Ovviamente sotto lo zero assoluto

di Ginevra Sanvitale

Arriva l’inverno e le temperature scendono. Si passa più tempo in casa, si beve il vin brulé, si tirano fuori i maglioni della nonna e si sogna di passare il capodanno a Honolulu. Ma che cosa succede quando ad andare sotto lo zero non è la cara vecchia scala Celsius, bensì quella Kelvin? Disgraziatamente nessuna compagnia aerea ha ancora predisposto voli last minute per gli atomi, dunque studiarne il comportamento è piuttosto complicato, soprattutto per la difficoltà di creare sperimentalmente sistemi con temperature negative.

Intuitivamente potremmo pensare che basti un congelatore potentissimo. Il punto però è che quando parliamo di temperature negative dobbiamo anzitutto sapere che in questo caso il concetto stesso di “temperatura” è differente da quello al quale siamo abituati. A scuola ci insegnano che quanto più la sua temperatura è alta tanto più un oggetto sarà caldo (e, viceversa, freddo). E’ tuttavia possibile dare un’altra definizione del termine: temperatura è la misura dell’aumento o della diminuzione dell’entropia (grandezza fisica che dà una misura del disordine) di un sistema quando ad esso viene fornita o sottratta energia. Sopra lo zero assoluto, equivalente a -273,15 gradi Celsius, il disordine del nostro sistema aumenterà se gli forniremo energia, ma quando ci sposteremo su valori negativi accadrà esattamente il contrario, cioè il disordine diminuirà con l’incremento dell’energia e viceversa.

Cancelliamo dunque l’ordine per quel super freezer e proviamo a utilizzare un’altra strategia: invece di far scendere gradualmente la temperatura affinché arrivi sotto lo zero assoluto, facciamo un salto dalle temperature positive direttamente a quelle negative, senza passare dal via. Nel 2005 Allard Mosk, ora ricercatore presso l’Università di Twente, in Olanda, in un articolo su “Physical Review Letters” ha teorizzato un esperimento che renderebbe possibile tutto ciò. Come prima cosa prendiamo dei laser e utilizziamoli per compattare degli atomi in una pallina con un basso livello di entropia. Costruiamo poi con altri laser una sorta di rete di luce che chiameremo reticolo ottico, con la quale “avvolgeremo” la nostra pallina tramite una serie di sorgenti a bassa energia. A questo punto utilizziamo i primi laser per cercare di spingere via la pallina, lasciando così gli atomi in uno stato di instabilità ma impossibilitati a disperdersi a causa del reticolo ottico. Rimuoviamo ora alcune delle energie potenziali degli atomi, che rotoleranno via l’uno dall’altro, aumentando il disordine: ecco allora il nostro sistema a temperatura negativa.

Achim Rosch e i suoi colleghi dell’Università di Colonia hanno perfezionato l’idea, partendo dallo stesso impianto sperimentale e affermando che sarebbe possibile attuarlo in laboratorio. Inoltre hanno proposto in un articolo per “Physical Review Letters” un’idea per verificare che le temperature prodotte siano davvero negative: poiché negli atomi nei sistemi a temperatura negativa gli stati ad alta energia sono favoriti rispetto quelli a bassa energia, una volta rilasciati dal reticolo ottico dovrebbero muoversi più velocemente di quelli a temperatura positiva.

Purtroppo l’esperimento non è ancora stato effettuato, dato che Rosch e i suoi colleghi sono fisici teorici. Ma attendiamo con ansia il momento. Nel frattempo possiamo sempre organizzare quel viaggio a Honolulu.