Il freddo più freddo dello zero assoluto

Altro che il freddo invernale: se le dita e la punta del naso vi si gelano e soffrite per le temperature troppo rigide, potete consolarvi pensando che sarebbe anche potuta andare peggio. Nei laboratori della Ludwig Maximilian University di Monaco, infatti, un’équipe di fisici teorici coordinata da Ulrich Schneider è riuscita a congelare un gas di atomi di potassio a una temperatura assoluta negativa, apparentemente valicando un limite teorico imposto dalla fisica. La scoperta, pubblicata su Science, spiana la strada per la costruzione di nuovi dispositivi con caratteristiche bizzarre (andare contro la forza di gravità, tanto per dirne una) e per la comprensione più profonda delle proprietà dell’energia oscura.

Vediamo cosa significano veramente, al di là delle facili metafore, le parole temperatura assoluta negativa dal punto di vista della termodinamica. I fisici definiscono la temperatura di un gas come il movimento caoticodelle particelle che lo compongono: più freddo è il gas, più lentamente si muovono gli atomi e le molecole. Allo zero assoluto Kelvin, cioè -273,15 °C, le particelle si fermano del tutto: di conseguenza, niente può scendere al di sotto di questo valore nella scala della temperatura. Si pensi ad esempio a una pentola in cui si sta scaldando dell’acqua. Per arrivare all’ebollizione, è necessario fornire energia al liquido: l’acqua si riscalda e le sue molecole guadagnano energia cinetica, cioè prendono a muoversi, in media, sempre più velocemente.

Cosa vuol dire in media? Semplicemente che, individualmente, le molecole possiedono velocità diverse, in un ampio range: gli stati a bassa energia sono più probabili rispetto a quelli ad alta energia, cioè solo poche particelle si muovono molto velocemente. Questa distribuzione di energia, in fisica, è detta distribuzione di Boltzmann. A questo punto della storia intervengono i fisici tedeschi: gli scienziati sono riusciti a realizzare un gas in cui la distribuzione di Boltzmann è invertita: molte particelle con energie elevate e poche con energie basse. È a quest’inversione che ci si riferisce quando si parla di temperatura assoluta negativa. Lo spiega lo stesso Schneider: “L’inversione della distribuzione di Boltzmann è il segno caratteristico della temperatura assoluta negativa: è di questo che stiamo parlando. Il gas non è più freddo dello zero Kelvin, ma addirittura più caldo, in realtà: semplicemente, la scala della temperatura, anziché arrivare all’infinito, salta a valori negativi”: è evidente che si tratta di un concetto ben più sottile della colonnina di mercurio che siamo abituati a misurare nel termometro.

Nello specifico, Schenider e i suoi colleghi hanno usato il laser e dei campi magnetici per intrappolare i singoli atomi del gas in una struttura reticolare. A temperature positive, gli atomi si respingono, mantenendo stabile la loro configurazione. L’équipe ha quindi cambiato velocemente il valore del campo magnetico, inducendo un’attrazione tra gli atomi: “Questo procedimento ha portato improvvisamente gli atomi dal loro stato stabile, quello di minima energia, a uno stato di energia estremamente elevata. Un po’ come camminare sul fondo di una valle e ritrovarsi improvvisamente sulla cima di una montagna”. A temperature positive, un’inversione del genere sarebbe altamente instabile e il gas collasserebbe, ma l’équipe ha calibrato la potenza del laser in modo da rendere più favorevole, dal punto di vista energetico, che gli atomi restassero nelle loro posizioni. Risultato: la transizione del gas da poco sopra lo zero assoluto a qualche miliardesimo di Kelvin sotto la fatidica soglia.

Wolfgang Ketterle, premio Nobel per la Fisica nel 2001, descrive il lavoro di Schneider come un “tour de force sperimentale”: stati esotici ad alta energia, difficili da generare in laboratorio a temperature positive, diventano stabili a temperature negative, “come se fosse possibile starsene sulla cima di una piramide e non preoccuparsi di cadere giù. Questa tecnica potrebbe essere un modo per creare nuove forme di materia”. In effetti, se costruiti, questi sistemi si comporterebbero in modo bizzarro, come spiega Achim Rosch, fisico teorico alla University of Cologne: assieme ai suoi colleghi, ha calcolato che se parte di un gas si trovasse a temperature assolute negative, alcuni atomi tenderebbero a spostarsi verso l’alto, sfidando apparentemente la forza di gravità. Un’altra peculiarità di questi sistemi è la somiglianza con l’energia oscura, la forza misteriosa che sembra spingere l’universo a espandersi a una velocità sempre maggiore, contrastando l’attrazione gravitazionale: Schneider ha notato che, allo stesso modo, anche gli atomi del gas tendono a collassare l’uno sull’altro, ma non lo fanno perché in qualche modo la temperatura negativa li stabilizza: “È interessante che il nostro gas condivida questa caratteristica con lo spazio lontano. Ai cosmologi potrebbe interessare per capire meglio la fenomenologia dell’energia oscura”.

Via: Wired.it

Credits immagine: LMU and MPG Munich