C’era una volta lo zero assoluto

Non esistono più le mezze stagioni? Ma neanche lo zero assoluto, a sentire un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute di Monaco che ha fatto scendere la temperatura al di sotto del (considerato) limite assoluto per un gas di atomi di potassio.

Se al liceo avete imparato che la temperatura di zero kelvin, uguale a meno 273,15 gradi celsius, è la temperatura più bassa raggiungibile in natura, scordatevelo. Perché dalle parti di Monaco un gruppo di scienziati ha varcato il muro dello "zero assoluto" portando un gas di atomi di potassio qualche miliardesimo di grado al di sotto di una temperatura considerata da sempre invalicabile. Sembrerebbe un’inezia, sufficiente tuttavia per innescare tra gli atomi del gas interazioni mai osservate, che secondo Schneider e colleghi, autori della ricerca pubblicata sull’ultimo numero di Science, potrebbero essere utilizzate per sviluppare materiali di nuova generazione e aiutare perfino a risolvere problemi di carattere cosmologico.

 
Un esperimento "folle"?
Se non avessimo a che fare con degli scienziati, tutta questa storia somiglierebbe un po’ al "folle" volo di Ulisse, perché lo zero assoluto rappresenta da sempre una delle colonne d’Ercole della scienza. Prima ancora di essere un limite sperimentale, la temperatura di zero kelvin è stata, a partire dall’Ottocento, la linea di confine teorica della scala assoluta delle temperature e sull’impossibilità di varcare quella soglia sono state plasmate discipline come la termodinamica e la meccanica quantistica. Roba seria, insomma, del genere “guardare ma non toccare”. E invece dal Max Planck Institut di Monaco ci raccontano una storia diversa, quella di un gas che lo zero assoluto lo ha addirittura oltrepassato.
 

L'inversione della distribuzione energetica delle particelle del gas necessaria per oltrepassare lo zero assoluto (crediti: LMU e MPG Monaco)

 
Dobbiamo immaginare una nuvola gassosa che si trova a una temperatura appena al di sopra dello zero assoluto, costituita da centomila atomi di potassio tenuti insieme da opportuni campi magnetici a formare un reticolo ordinato. Come accade per qualsiasi sistema fisico, la temperatura di questo gas può essere vista come una distribuzione di probabilità delle energie a cui si trovano le sue particelle: la maggior parte di esse avrà un’energia vicina all’energia media del gas e solo poche si troveranno a energie più elevate oppure più basse. Qui però viene il bello, perché in teoria questa distribuzione di energie può essere invertita, portando così la temperatura assoluta del gas da positiva a negativa. Ed è proprio questo quello che hanno fatto Schneider e colleghi: utilizzando laser e campi magnetici ben calibrati, sono stati in grado di ribaltare i livelli energetici degli atomi di potassio. Così facendo si sono ritrovati tra le mani un gas che si trovava alcuni nanokelvin al di sotto dello zero assoluto.
 
Stranezze ed energia oscura
«Un autentico tour de force sperimentale», lo ha definito il premio nobel per la fisica Wolfgang Ketterle. Un’impresa, insomma, tutt’altro che folle, che secondo gli autori aprirà le porte allo sviluppo di apparecchiature finora inimmaginabili per via delle rivoluzionarie proprietà di questi gas ultrafreddi. Per cedere all’entusiasmo degli scienziati forse basterà sapere che se normalmente un gas riscaldato si espande, in questi singolari sistemi si contrae, mentre il calore, che di solito fluisce da un corpo più caldo a un corpo più freddo, a queste temperature negative procede in verso opposto. Ma c’è di più. Schneider è convinto infatti che «i cosmologi dovrebbero dare un’occhiata alle stranezze del suo gas, perché la temperatura negativa inibisce l’attrazione gravitazionale tra gli atomi che lo compongo». Questo comportamento potrebbe così essere utile per comprendere meglio quello dell’energia oscura, la forza misteriosa che nei modelli cosmologici contrasta l’attrazione gravitazionale tra le galassie, favorendo così l’espansione dell’universo. Un fenomeno, quest'ultimo, che forse al liceo non avete studiato, ma che al momento non è stato ancora smentito.

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