Scienze

Sotto lo zero assoluto

Un team di fisici tedeschi ha portato una nuvola di gas a una temperatura inferiore allo zero assoluto. Come hanno fatto? E a cosa può servire?

Un freddo così non se lo immaginava nessuno, nemmeno Lord Kelvin, che attorno 1850 teorizzò lo zero assoluto (-273,15 °C) come temperatura più bassa raggiungibile da un corpo, quella cioè in cui le particelle che lo compongono sono al più basso livello possibile di energia. Ma al termine di un lavoro di preparazione durato mesi, in questi primi giorni del 2013 un team di ricercatori della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco e del Max-Planck-Institut di Garching è riuscito a portare una nuvola di atomi di potassio a una temperatura inferiore, anche se di poco, a questo valore minimo teorico.

Temperatura ed entropia. Per comprendere la portata della scoperta occorre introdurre una definizione di temperatura diversa da quella alla quale siamo abituati. Quando si fornisce energia ad un sistema fisico, per esempio quando si scalda un cubetto di ghiaccio, si aumenta il suo livello di disordine: gli atomi che lo compongono inziano a muoversi con maggiore libertà man mano che il ghiaccio si scioglie e poi evapora.

In fisica il livello di caos del sistema si chiama entropia: aggiungendo energia, il livello di entropia aumenta e il sistema diventa più disordinato, togliendo energia (cioè raffreddando) il livello di entropia si riduce e il sistema diventa più ordinato. La temperatura può quindi essere vista come rapporto tra la variazione di energia fornita al sistema e la variazione di entropia.

Gabbia al laser per atomi. Ciò che hanno fatto gli scienziati tedeschi è stato realizzare un sistema in cui ci fosse un limite massimo alla variazione di entropia ma nel quale l'energia potesse liberamente aumentare. In questo ambiente l'aggiunta di energia non causa un aumento di entropia (che ha un tetto) e di conseguenza la temperatura diminuisce. In pratica, i ricercatori hanno intrappolato una nuvola superfredda di atomi di potassio in una gabbia di campi magnetici e raggi laser e poi hanno inziato a fornirgli energia. La trappola ha tenuto sotto controllo il disordine del gas, cioè la sua entropia, all'aumentare dell'energia. Laser e magneti tenevano fermi gli atomi di potassio mentre venivano eccitati.


In questo modo, anche se solo per alcuni millisecondi, il sistema si è raffreddato a temperature inferiori di qualche nanokelvin allo zero assoluto e ciò è bastato agli scienziati per studiare stati della materia mai visti prima. (Guarda come si comportano la materia superfredda)

Energia oscura in provetta. A cosa possono servire temperature così basse e stati della materia così estremi? Per esempio a studiare nuovi sistemi di trasmissione dell'energia, cioè motori, particolarmente efficienti perché in grado di non dissipare in calore parte dell'energia in ingresso. Oppure a studiare in laboratorio l'energia oscura, la forza misteriosa che porta l'universo ad espandersi e che sembra condividere alcuni comportamenti atipici con i gas raffreddati a temperature assolute negative. Questi ultimi, infatti, al contrario dei comuni gas, tendono a espandersi man mano che si raffreddano, così come l'energia oscura sembra contrastare la forza di gravità.

10 gennaio 2013 Franco Severo
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