În regiunile reci de pe Pământ, temperaturile negative pe scara Fahrenheit sau Celsius pot să apară adesea în timpul iernii. În fizică însă, pe scara temperaturilor absolute, numită şi scara Kelvin, temperaturile negative au fost până acum imposibile.
Atomi la temperatură absolut negativă. Cele mai fierbinţi sisteme din lume
Pe scara Kelvin nu se poate merge mai jos de zero, cel puţin nu în sensul de a obţine temperaturi mai scăzute de zero Kelvin. Potrivit fizicii, temperatura unui gaz este determinată de mişcarea haotică a particulelor sale - un gaz mai rece, particule mai lente. La zero Kelvin (-460°F sau -273°C) particulele se opresc din mişcare şi toată dezordinea dispare. Astfel, nimic nu poate fi mai rece decât zero grade absolut, de pe scara Kelvin. Fizicienii de la Universitatea Ludwig-Maximilians din München şi de la Institutul de Optică Cuantică Max Planck din Garching au creat recent un gaz atomic în laborator, gaz care are, totuşi, temperaturi cu valori Kelvin negative (Science, 4 ianuarie 2013).
Fig. 1: Distribuţia Boltzmann poate fi ilustrată cu bile, care sunt distribuite într-un peisaj deluros, care oferă atât o limită inferioară, cât şi superioară pentru energia potenţială a bilelor. La temperaturi pozitive (figura din stânga), aşa cum sunt frecvente în viaţa de toate zilele, cele mai multe bile se află în vale, în jurul valorii minime a energiei potenţiale. Ele abia se mişcă şi, prin urmare, posedă energie cinetică minimă. Stările cu energie totală mică sunt, prin urmare, mult mai probabile decât cele cu energie totală mare, conform distribuţiei Boltzmann obişnuite. La o temperatură infinită (figura din centru), bilele se răspândesc în mod egal pe energiile joase şi înalte, într-un peisaj identic. Aici, toate stările de energie sunt de egală probabilitate. La temperaturi negative (figura din dreapta) însă, cele mai multe bile cutreieră pe culmea dealului, la limita superioară de energie potenţială. De asemenea, energia lor cinetică este maximă. Stările de energie cu energie totală mare sunt ocupate mai mult decât cele cu energie totală mică - distribuţia Boltzmann este inversată.
Aceste temperaturi absolut negative conduc la mai multe consecinţe uimitoare: deşi atomii din gaz se atrag unul pe altul şi dau naştere la o presiune negativă, gazul nu colapsează - un comportament care este postulat şi pentru energia întunecată, în cosmologie. De asemenea, motoare termice presupuse imposibile pot fi realizate cu ajutorul temperaturilor absolut negative, ca de exemplu un motor cu un randament termodinamic peste 100%.
Pentru a aduce apa la punctul de fierbere, trebuie adăugată energie la apă. În timpul încălzirii, energia cinetică a moleculelor de apă creşte în timp şi se mişcă, în medie, mai repede. Totuşi, moleculele individuale posedă energii cinetice diferite - de la foarte lent la foarte rapid. La echilibru termic, stările de energie joasă au o mai mare probabilitate decât stările de energie înaltă, adică doar câteva particule se mişcă foarte repede. În fizică, această distribuţie este numită distribuţia Boltzmann.
Fizicienii care au lucrat alături de Ulrich Schneider şi Bloch Immanuel au realizat acum un gaz în care această distribuţie este exact inversă: mai multe particule au energii mari şi doar câteva au energii mici. Această inversare a distribuţiei de energie înseamnă că particulele şi-au însuşit o temperatură absolut negativă.
„Distribuţia Boltzmann inversată este marca temperaturii absolut negative; iar asta este ceea ce noi am reuşit”, a explicat Ulrich Schneider. „Totuşi, gazul nu este mai rece decât zero Kelvin, ci mai fierbinte. Este chiar mai fierbinte decât orice temperatură pozitivă - scara temperaturilor pur şi simplu nu se termină la infinit, ci sare în schimb la valori negative”. Principiul de bază poate fi cel mai bine înţeles cu o ilustraţie (a se vedea figura 1): dacă se începe la temperaturi pozitive (figura din stânga) şi se creşte energia totală a bilelor prin încălzirea lor, bilele se vor răspândi în regiuni de energie înaltă. Dacă se încălzesc bilele la temperatură infinită (figura centrală), fiecare punct din peisaj va fi de egală probabilitate, indiferent de energia sa. Dacă s-ar adăuga şi mai multă energie şi se încălzesc astfel bilele şi mai mult, bilele se vor aduna de preferinţă în stări de energie înaltă (figura din dreapta) şi ar deveni chiar mai fierbinţi decât la temperatură infinită. Distribuţia Boltzmann s-ar inversa şi, prin urmare, temperatura ar fi negativă. La prima vedere, poate părea ciudat că o temperatură absolut negativă este mai fierbinte decât una pozitivă. Acest lucru este, în orice caz, pur şi simplu o consecinţă a definiţiei istorice a temperaturii absolute; dacă aceasta ar fi fost definită altfel, nu ar exista acestă aparentă contradicţie.
Fig.2. Temperaturi negative fierbinţi: La o temperatură absolut negativă, distribuţia de energie a particulelor se inversează în comparaţie cu o temperatură pozitivă. Multe particule au aşadar o energie înaltă şi puţine una joasă. Aceasta corespunde unei temperaturi care este mai fierbinte decât una de temperatură infinit de ridicată, unde particulele sunt distribuite în mod egal pe toate energiile. O temperatură Kelvin negativă poate fi atinsă experimental numai dacă energia are o limită superioară, întocmai cum particulele care nu se mişcă determină o limită inferioară pentru energia cinetică, în cazul temperaturilor pozitive; fizicienii de la ULM şi Institutul de Optică Cuantică Max Planck au realizat recent acest lucru. credit imagine: ULM şi MPG München.
Această inversiune a "populaţiilor" stărilor de energie nu este posibilă în apă sau în oricare alt sistem natural cu particule aflate în mişcare, deoarece sistemul trebuie să absoarbă o cantitate infinită de energie - un lucru imposibil!
Cu toate acestea, în cazul în care sistemul posedă o limită superioară pentru energia particulelor individuale, cum ar fi vârful dealului pentru energia potenţială din figura 1, situaţia ar putea fi complet diferită. Cercetătorii care au lucrat alături de Immanuel Bloch şi Ulrich Schneider au realizat acum, în laboratorul lor, un gaz cu atomi care posedă o astfel de limită superioară a energiei, în urma unor propuneri teoretice ale lui Allard Mosk şi Achim Rosch. În experimentul lor, oamenii de ştiinţă au răcit mai întâi în jur de 100.000 de atomi într-o cameră vidată, la o temperatură pozitivă de mai puţin de o miliardime de grad Kelvin şi le-au capturat în capcane optice constând din fascicule laser. Realizarea mediului de ultra-vid garantează că atomii sunt perfect izolaţi de mediul înconjurător. Fasciculele laser creează un aşa-numit grilaj optic în care atomii sunt prinşi într-o reţea perfect ordonată de milioane de spoturi strălucitoare de lumină, răsărind din interferenţa dintre fasciculele laser. În această reţea, atomii se pot mişca în continuare, din loc în loc, prin tunelare, dar energia lor cinetică este limitată de sus şi prin urmare posedă limita superioară de energie necesară. Temperatura se referă însă nu numai la energia cinetică, dar şi la energia totală a particulelor, care în acest caz include interacţiunile şi energia potenţială. Sistemul cercetătorilor de la München şi Garching stabileşte însă o limită pentru ambele. Prin răsturnarea unei văi într-un deal (şi schimbarea interacţiunii), fizicienii iau aşadar atomii de la limita superioară a energiei totale - realizând astfel o temperatură negativă, de minus câteva miliardimi grade Kelvin.
„În cazul în care bilele au o temperatură pozitivă şi se află într-o vale, la energia potenţială minimă, această stare va fi aparent stabilă - aceasta este natura, aşa cum o ştim noi. Dacă bilele sunt situate pe culmea unui deal, la energia potenţială maximă, ele în mod obişnuit se vor rostogoli şi vor converti astfel energia lor potenţială în energie cinetică. Dacă bilele sunt însă la temperatură negativă, energia lor cinetică va fi deja atât de mare încât nu mai poate creşte în continuare. Prin urmare, bilele nu se pot rostogoli în jos şi rămân pe vârful dealului. Limita de energie, prin urmare, face sistemul stabil!” explică Simon Braun, doctorand din grupul de cercetători. Starea de temperatură negativă din experimentul lor este într-adevăr la fel de stabilă ca starea de temperatură pozitivă. „În acest mod, noi am creat prima stare de temperatură absolut negativă pentru particule în mişcare”, a adăugat el.
Materia, la temperatură absolut negativă, duce la o mulţime de consecinţe uimitoare: cu ajutorul ei s-ar putea crea motoare termice cu un randament de peste 100%. Asta nu înseamnă că legea conservării energiei este încălcată. În schimb, maşina poate absorbi energie nu numai de la substanţa mai caldă, dar, în contrast cu cazul obişnuit, şi de la cea mai rece. Lucrul mecanic prestat de motor poate fi, prin urmare, mai mare decât atunci când energia este luată doar de la substanţa mai caldă.
Realizarea fizicienilor de la München ar putea fi interesantă şi pentru cosmologie. În ceea ce priveşte comportamentul lor termodinamic, se poate face o paralelă între stările de temperatură negativă şi aşa-numita energie întunecată. Cosmologii postulează că energia întunecată este forţa care accelerează expansiunea universului, căci altfel cosmosul s-ar contracta datorită atracţiei gravitaţionale dintre toate masele din componenţa sa. Este un fenomen similar cu norul atomic din laboratorul din München: experimentul se bazează pe faptul că atomii din gaz nu se resping unul pe altul, ca în cazul gazelor obişnuite, ci interacţionează, atrăgându-se. Asta înseamnă că atomii exercită o presiune negativă în loc de una pozitivă. Ca o consecinţă, norul atomic vrea să se contracte şi ar trebui în mod normal să colapseze, cum este de aşteptat şi în cazul Universului, sub influenţa gravitaţiei. Dar datorită temperaturii sale negative acest lucru nu se întâmplă. Gazul este salvat de la colaps, la fel ca Universul.
Mai multe informaţii: Braun, S. et al., Atoms at negative absolute temperature - the hottest systems in the world, Science, Science, 4 ianuarie 2013.
Traducere de Mircea Ştefan Moldovan după Atoms at negative absolute temperature: The hottest systems in the world, cu acordul Phys.org.
