Cosa succederebbe se lanciassi un iceberg nel sole? Per quanto sorprendente possa sembrare, i fisici non sono ancora sicuri. Credito:NASA/SDO/AIA, NASA/STEREO, SOHO (ESA e NASA)
Se pensavi che la stanza di un bambino, un premio Nobel norvegese e un puntatore laser non avevano nulla in comune, due fisici dell'UA stanno per illuminarti.
È difficile da credere, ma dopo aver svelato molte delle leggi che fanno funzionare l'universo, i fisici non hanno ancora raggiunto un accordo sul fatto che qualcosa di apparentemente semplice come "caldo" o "freddo" possa essere misurato in un sistema in determinate circostanze.
"Immagina di lanciare un iceberg nel sole e subito prima che si sciolga e sparisca, volevi sapere, "Quanto è caldo quell'iceberg in quel momento?" Sarebbe una domanda significativa da fare?" dice Charles Stafford, un professore del Dipartimento di Fisica del College of Science dell'UA. "Secondo la fisica tradizionale, non sarebbe".
In poche parole, la conoscenza tradizionale sostiene che proprietà come la temperatura o la tensione possono essere misurate solo finché un sistema è in equilibrio. (Suggerimento:un iceberg che si tuffa nel sole non lo è.)
"La temperatura e la tensione sono due variabili fondamentali sviluppate nel XIX secolo, "Staffard dice, "quindi può essere uno shock che tali nozioni di base siano finora mancate di una definizione matematicamente rigorosa tranne che per il caso di equilibrio, un caso idealizzato che in realtà non si verifica in natura, tranne forse per la "morte termica" prevista per segnare la fine dell'universo".
Insieme allo studente di dottorato Abhay Shastry, il primo autore dello studio, Stafford ha utilizzato la modellazione matematica per esplorare questo enigma. Hanno pubblicato i loro risultati di recente sulla rivista Revisione fisica B . Il loro manoscritto mostra che queste due quantità sono così strettamente legate che è impossibile conoscerne l'una senza conoscere l'altra.
"Abbiamo dimostrato che in realtà qualsiasi stato di un sistema, anche lontano dall'equilibrio, può essere caratterizzato da una temperatura, "dice Stafford.
Qui entra in gioco la stanza dei bambini. (Arriveremo ai premi Nobel e ai puntatori laser tra un po'.)
Tutto nell'universo, dai quark alle galassie, ha una tendenza intrinseca a raggiungere l'equilibrio con l'ambiente circostante e dirigersi verso il maggior grado di disordine possibile. In realtà, questo fenomeno, chiamata entropia e descritta nella Seconda Legge della Termodinamica, è un po' più complicato, ma per ora non preoccupiamoci di questo. Dopotutto, lo sappiamo intuitivamente:metti un cubetto di ghiaccio in un drink e lascialo stare per un po'; presto, le molecole d'acqua nel cubetto di ghiaccio hanno lasciato la loro struttura cristallina altamente ordinata e si sono stabilite in un accogliente equilibrio, felicemente mescolandosi al loro disordinato, fratelli acquosi. Lo stesso vale per le cose nella stanza dei bambini:lascia le cose in pace per un po' senza riordinare:hai l'idea.
Quell'iceberg che sta per evaporare quando lo abbiamo lanciato nel sole prima illustra un sistema che è molto, molto lontano dall'equilibrio, ma diamo un'occhiata a un esempio più quotidiano:un normale puntatore laser. Quando premi il pulsante per attivare quel punto luminoso rosso di cui il tuo gatto va così matto, un inferno si scatena all'interno del piccolo dispositivo.
"Quando sono laser, gli elettroni all'interno del dispositivo diventano più caldi di una temperatura che chiamiamo "più infinito, '" dice Shastry. "Se hai riscaldato una pentola d'acqua, non importa quanto caldo, anche se lo vaporizzassi a un milione di gradi, non sarebbe ancora caldo come gli elettroni nel laser."
Ora, è importante sottolineare che qui stiamo parlando di fenomeni quantistici, in questo caso la temperatura dell'elettrone, che non ha nulla a che fare con la temperatura della luce laser ed è la ragione per cui il tuo puntatore laser non si vaporizza istantaneamente nella tua mano dopo l'attivazione.
Potrebbe essere una sorpresa che temperatura e tensione, nozioni di base sviluppate nel XIX secolo nei campi della termodinamica e dell'elettrodinamica, mancava fino ad ora di una definizione matematicamente rigorosa, salvo il caso di un equilibrio idealizzato che in realtà non si verifica in natura. I risultati di questo studio mostrano che i due sono strettamente collegati e potrebbero portare a una migliore comprensione di cosa significa essere "caldo" o "freddo" su scala subatomica e quantistica. Credito:Charles Stafford/Abhay Shastry/UA
Tuttavia, se potessi in qualche modo toccare gli elettroni nel tuo laser, si sentirebbe molto, molto caldo, Shastry spiega.
Il punto, secondo i due fisici, è che quando un laser sta lanciando, è molto lontano dall'equilibrio, molto più di, dire, fenomeni meteorologici. A differenza del tempo, che è guidato in gran parte dalle differenze termiche, sistemi come semiconduttori e dispositivi elettronici sono azionati elettricamente, che possono spingere i loro componenti, in questo caso, elettroni, molto più lontani dall'equilibrio del calore.
Sotto la vista corrente, i fisici direbbero che non è possibile misurare la temperatura in un dispositivo del genere lontano dall'equilibrio. I risultati di Stafford e Shastry dicono, sì, si può fare, ma questo fa sorgere un'altra domanda:perché uno dovrebbe volerlo?
"L'attuale tecnologia microelettronica è limitata dal fatto che i dispositivi dissipano molto calore, e stanno diventando sempre più piccoli, " dice Stafford. "Man mano che diventano più piccoli, dissipano più calore, quindi questo sta creando un grosso problema per il progresso della tecnologia.
"Perché dimostriamo che è possibile definire temperature e tensioni anche su scala subatomica, e definirlo rigorosamente, si potrebbe sperare di realizzare dispositivi integrati in modo tale da poter avere il raffreddamento locale di un solo punto del dispositivo in cui si trova quel transistor che si sta surriscaldando, invece di raffreddare l'intero chip. Attualmente, non c'è modo di fare una cosa del genere".
Stafford e Shastry stanno attualmente esplorando una possibile collaborazione con Pramod Reddy, un collega dell'Università del Michigan il cui laboratorio ha stabilito il record nella creazione di un termometro in grado di misurare la temperatura attraverso pochi atomi, sottoporre i loro risultati a studi sperimentali.
Un altro esempio a cui il lavoro potrebbe applicarsi è la risonanza magnetica nucleare, una tecnologia utilizzata abitualmente nell'imaging medico.
"Qualcuno che l'ha sperimentato potrebbe non essersi reso conto che i nuclei atomici nel proprio corpo sono stati messi in uno stato di temperatura assolutamente negativa, che è più caldo di qualsiasi cosa nell'universo, ma è così, "dice Stafford.
"La nostra teoria è molto generale. Si applica a molte cose, dai plasmi di quark-gluoni generati negli acceleratori di particelle ai puntatori laser alle stelle di neutroni, " dice Shastry. "Seguono tutti lo stesso identico formalismo".
Come prodotto collaterale di questa ricerca, Shastry e Stafford forniscono la prima prova di una versione della Seconda Legge della Termodinamica formulata nel 1931 dal chimico norvegese Lars Onsager, che si applica in particolare ai processi termoelettrici, un'impresa che era sfuggita alla comunità dei fisici per 85 anni.
"La seconda legge della termodinamica è la più generale non solo delle leggi della fisica, ma tutte le leggi della natura, " dice Stafford. "E ci sono molti professionisti in questo campo della fisica quantistica che stanno proponendo che la seconda legge non si applica ai sistemi che sono in uno stato lontano dall'equilibrio, ma dimostriamo che lo fa".
Come risulta, tutto deve rispettare la seconda legge. Inclusa la cameretta di un bambino.
