Prima reuşită uluitoare a anului 2013: cercetătorii au obţinut o temperatură mai scăzută decât zero absolut!

Zero absolut este considerată, adeseori, a fi cea mai scăzută temperatură posibilă. Acum, însă, cercetătorii au demonstrat că pot obţine temperaturi şi mai scăzute într-un tărâm bizar, al „temperaturilor negative”.

În mod ciudat, o altă metodă de a privi aceste temperaturi negative este de a le considera mai fierbinţi decât infinitul, au adăugat cercetătorii.

Reuşita fără precedent ar putea duce la conceperea unor noi motoare care, teoretic, ar putea prezenta o eficienţă mai mare de 100%, desluşind totodată mistere precum cel al energiei întunecate, substanţa misterioasă care, aparent, destramă universul.

Temperatura unui obiect măsoară de fapt viteza de deplasare a atomilor săi – cu cât un obiect este mai rece, cu atât atomii sunt mai înceţi. La temperatura de zero Kelvin, adică minus 273,15 grade Celsius, atomii încetează să se mai deplaseze. Astfel, nimic nu poate fi mai rece decât zero pe scara Kelvin.

Pentru a înţelege temperaturile negative obţinute acum de oamenii de ştiinţă, trebuie să privim scara temperaturii ca fiind o buclă, nu o scară liniară. Temperaturile pozitive formează o parte a buclei, iar cele negative cealaltă parte. Atunci când temperaturile scad sub zero sau se ridică deasupra infinitului în partea pozitivă a scării, ele intră în teritoriul negativ.

În cazul temperaturilor pozitive, este mai probabil ca atomii să ocupe stări de energie scăzută decât stări de energie ridicată, tipar cunoscut sub denumirea „distribuţia Boltzmann”. Atunci când un obiect este încălzit, atomii săi pot atinge niveluri mai ridicate de energie.

Distribuţie Boltzmann (stânga - temperaturi pozitive, centru - temperaturi infinite, dreapta - temperaturi negative)

La zero absolut, atomii ocupă cea mai scăzută stare a energiei. La o temperatură infinită, atomii ocupă toate stările de energie. Temperaturile negative sunt opusul temperaturilor pozitive – astfel că este mai probabil ca atomii să ocupe stări de energie ridicată decât stări de energie scăzută.

„Distribuţia Boltzmann inversată este marca temperaturii absolute negative, iar asta este ceea ce am reuşit noi”, a explicat cercetătorul Ulrich Schneider, fizician la Universitatea din Munchen, Germania. „Cu toate acestea, gazul nu este mai rece decât zero kelvin, ci mai fierbinte. Este chiar mai fierbinte decât oricare temperatură pozitivă – pur şi simplu, scara temperaturii nu se termină la infinit, ci sare la valori negative”, a adăugat cercetătorul.

Aşa cum ne-am putea aştepta, obiectele cu temperaturi negative se comportă ciudat. De exemplu, energia circulă de regulă de la obiectele cu temperaturi pozitive ridicate către cele cu temperaturi pozitive scăzute – cu alte cuvinte, obiectele mai fierbinţi încălzesc obiectele mai reci, iar obiectele mai reci răcesc obiectele mai fierbinţi, până când ajung la o temperatură comună. În schimb, energia va circula întotdeauna de la obiectele cu temperatură negativă spre obiectele cu temperatură pozitivă. În acest sens, obiectele cu temperatură negativă sunt întotdeauna mai fierbinţi decât cele cu temperaturi pozitive.

O altă consecinţă ciudată a temperaturilor negative are legătură cu entropia, care măsoară cât de dezordonat este un sistem. Când obiectele cu temperaturi pozitive eliberează energie, ele cresc entropia lucrurilor din jurul lor, făcându-le să se comporte mai haotic. În schimb, atunci când obiectele cu temperaturi negative eliberează energie, ele absorb entropie.

Temperaturile negative ar fi fost considerate imposibile, deoarece nu există, în mod normal, o limită superioară a cantităţii de energie pe care o pot avea atomii, conform teoriei actuale (există însă o limită a vitezei cu care pot călători, conform teoriei relativităţii postulate de Einstein).

Pentru a genera temperaturi negative, oamenii de ştiinţă au creat un sistem în care atomii au o limită în ceea ce priveşte energia pe care o pot avea. Mai întâi, aceştia au răcit aproximativ 100.000 de atomi la o temperatură pozitivă de câţiva nanokelvin – mai exact, o miliardime dintr-un kelvin. Au răcit aceşti atomi în cadrul unei camere vidate, izolându-i astfel de orice influenţă de mediu care i-ar fi putut încălzi accidental. De asemenea, cercetătorii au folosit o reţea de fascicule laser şi câmpuri magnetice pentru a controla cu precizie modul în care se comportă respectivii atomi, stimulându-i astfel să intre în noul tărâm al temperaturii.

„Temperaturile pe care le-am obţinut sunt nanokelvin negativ”, a explicat Schneider.

Temperatura depinde de cât de mult se deplasează atomii – câtă energie cinetică au. Reţeaua de fascicule laser a creat milioane de puncte luminoase strălucitoare în care atomii se puteau mişca, dar în care energia lor cinetică era limitată. 

Temperatura depinde, de asemenea, de câtă energie potenţială au atomii şi de câtă energie se află în interacţiunile dintre atomi. Cercetătorii au folosit „reţeaua optică” pentru a limita energia potenţială a atomilor, iar câmpurile magnetice au fost folosite pentru a controla cu fineţe interacţiunile dintre atomi.

Temperatura prezintă o legătură cu presiunea – cu cât ceva este mai fierbinte, cu atât se extinde mai mult spre exterior, şi cu cât este mai rece, cu atât se contractă. Pentru a se asigura că acest gaz avea o temperatură negativă, cercetătorii erau nevoiţi să-i dea şi o presiune negativă, modificând interacţiunile atomilor până când aceştia se atrăgeau mai mult decât se respingeau.

„Am creat prima stare de temperatură absolut negativă pentru particule în mişcare”,  a declarat cercetătorul Simon Braun de la Universitatea din Munchen.

Temperaturile negative ar putea fi folosite pentru a crea motoare termice – motoare care convertesc energia termică în energie mecanică, la fel ca motoarele de combustie – cu o eficienţă mai mare de 100%, ceva ce pare aparent imposibil. Aceste motoare ar absorbi energie nu doar de la substanţele mai calde, ci şi de la cele mai reci. De aceea, efortul depus de motor ar fi mai mare decât energia obţinută de la substanţa fierbinte.

De asemenea, temperaturile negative ar putea elucida unul din cele mai mari mistere ale ştiinţei. Oamenii de ştiinţă se aşteptau ca atracţia gravitaţională a materiei să încetinească expansiunea Universului după Big Bang, oprind-o la un moment-dat, ca apoi să o inverseze în ceea ce a fost supranumit „Big Crunch”.  Cu toate acestea, expansiunea Universului pare să accelereze, iar cosmologii sugerează că acest lucru se datorează energiei întunecate, o substanţă încă necunoscută care ar putea compune mai bine de 70% din cosmos.

În acelaşi fel, presiunea negativă a gazului creat de cercetători ar trebui să ducă la colapsul acestuia. Totuşi, temperatura negativă previne ca acest lucru să se petreacă. De aceea, temperaturile negative ar putea prezenta câteva paralele interesante cu energia întunecată ce ar putea asista oamenii de ştiinţă să înţeleagă această enigmă.

Temperaturile negative ar putea, totodată, să elucideze misterele stărilor exotice ale materiei, ducând la generarea unor sisteme care în mod normal nu ar putea fi stabile. „O mai bună înţelegere a temperaturii ar putea conduce la lucruri noi la care nici nu ne-am gândit până acum. Când studiezi lucrurile de bază foarte amănunţit, nu ştii unde poţi ajunge”, a concluzionat Schneider.

Cercetarea este publicată în ediţia din 4 ianuarie a prestigiosului jurnal Science.

Surse: Quantum-Munich, LiveScience, Nature