Ovvero: più freddo di così non si può.
Siamo abituati a immaginare la temperatura come una scala illimitata, che va da meno infinito a più infinito. E invece non è così! Per esempio, è possibile riscaldare un oggetto alla temperatura di 400 °C, ma non è possibile raffreddarlo a - 400 °C (400 gradi sotto zero).
Esiste infatti un valore sotto al quale la temperatura non può scendere: si chiama zero assoluto e corrisponde a -273,15 °C.
Con la newsletter di oggi cercheremo di osservare il mondo con gli occhi di un fisico, per conoscere le proprietà dello zero assoluto. Esploreremo come è stato scoperto questo valore, che cosa succede alla materia quando si avvicina a una temperatura così bassa e come viene utilizzato lo zero assoluto in alcuni ambiti scientifici.
Copriti bene che ci immergiamo subito in questa gelida lettura! 🧊
La temperatura come la conosciamo
Prima di addentrarci nel mondo dello zero assoluto, è importante mettere in prospettiva la scala di temperatura che utilizziamo, ovvero la Celsius (°C).
La scala Celsius si basa sulle proprietà dell’acqua: il valore zero della scala è collocato nel punto di congelamento dell’acqua. Il valore 100 è collocato nel punto di ebollizione dell’acqua.
Di conseguenza siamo portati a pensare che
0 °C è “molto freddo”
100 °C è “molto caldo”.
In realtà entrambi questi valori sono considerati “molto caldi” se li confrontiamo con lo zero assoluto: il mondo, per come lo concepiamo noi, ha bisogno di essere sempre “molto caldo” per funzionare.
La scala Kelvin
Adesso introduciamo la scala che rappresenta le temperature con un’altra prospettiva, dove si colloca lo 0 nel punto più freddo che si può ottenere. Si chiama scala Kelvin (K).
Come già accennato, lo zero della scala Kelvin corrisponde a -273,15 gradi della scala Celsius. Ecco una tabella di conversione per confrontare le due scale Celsius e Kelvin:
0 K corrisponde a -273,15 °C. È la minima temperatura possibile.
273,15 K corrisponde a 0 °C. È il punto in cui l’acqua congela.
373,15 K corrisponde a 100 °C. È il punto in cui l’acqua bolle.
Capire la temperatura
La temperatura, di fatto, non è altro che un parametro per misurare l’energia di un sistema. In questo caso l’energia in questione è quella degli atomi della materia, che si agitano.
Ecco una metafora per rendere più chiaro il concetto. Immagina una folla di persone a un concerto e la temperatura che misura il loro movimento.
Quando la temperatura è alta, significa che la folla è in continuo movimento frenetico, balla e si sposta velocemente. Quando la temperatura è alta, gli atomi o le molecole sono in uno stato di grande agitazione termica.
Quando la temperatura diminuisce, significa che la folla si muove più lentamente, fino a quando arriva a uno stato di calma totale. Quando la temperatura è bassa, vicina allo zero assoluto, gli atomi e le molecole si muovono molto lentamente e quasi diventano immobili.
Cos’è lo zero assoluto e come è stato scoperto
Lo zero assoluto rappresenta la temperatura più bassa teoricamente possibile. Si verifica quando le particelle che compongono la materia raggiungono il loro stato di energia minima.
Fu il fisico scozzese William Thomson, noto come Lord Kelvin, a proporre nel 1868 una scala di temperatura assoluta che attribuisse il valore di 0 K allo zero assoluto.
Mentre esplorava il legame tra la temperatura e il volume dei gas, Kelvin notò che, a temperature sempre più basse, il volume di un gas si riduceva progressivamente. Egli dedusse che, continuando a scendere con la temperatura, si sarebbe arrivati a un punto in cui il volume occupato dal gas sarebbe diventato nullo, e identificò così il valore dello zero assoluto.
Tuttavia, raggiungere effettivamente lo zero assoluto con un esperimento è impossibile. Ogni anno il mondo della ricerca riesce ad avvicinarsi sempre più al fatidico valore, raggiungendo temperature incredibilmente basse. Tuttavia l'effettivo raggiungimento di 0 K richiederebbe un processo di raffreddamento infinito, che non è realizzabile nelle condizioni sperimentali. Se non ti è chiaro non ti preoccupare, faremo luce su questo concetto fra poco.
Le implicazioni dello zero assoluto
A questo punto ti starai chiedendo per quale motivo alla comunità scientifica interessa così tanto vedere un corpo raffreddato a temperature sempre più vicine allo zero assoluto.
Il motivo è che a temperature così basse la materia modifica il proprio comportamento e iniziano ad accadere fenomeni che nel nostro mondo “caldo” considereremmo straordinari.
Il condensato di Bose-Einstein
Ad esempio, a temperature prossime allo zero assoluto, alcuni gas possono condensarsi in modo particolare, trasformandosi in una sorta di entità quantistica collettiva.
Immaginiamo di essere ad una festa con molti invitati che hanno voglia di ballare e si muovono tutti in modo indipendente e caotico. È normale, no? Ci sono tanti invitati, siamo a una festa… Ora, immaginiamo che tutti i ballerini si sincronizzino improvvisamente e inizino a muoversi insieme in perfetta armonia, come se fossero una sola entità. Ecco, questo è l’effetto dello zero assoluto sulle particelle di un gas!
La superconduttività
Come se non bastasse, lo zero assoluto è collegato ad un’ambita proprietà di alcuni materiali, cioè la superconduttività, che significa condurre l'elettricità senza resistenza a temperature molto basse.
In condizioni normali l’elettricità, mentre attraversa un materiale, incontra come degli ostacoli che la rallentano e la disperdono. Invece a temperature vicine allo zero assoluto questi ostacoli “spariscono” e l’elettricità può scorrere in maniera molto più efficiente.
La superconduttività permette di sviluppare apparecchiature elettroniche ad altissime prestazioni, migliorare l'efficienza energetica e sperimentare nuove tecnologie nell'ambito della produzione e del trasporto dell’energia.
L'impossibilità di raggiungere lo zero assoluto
Abbiamo già accennato al fatto che raggiungere lo zero assoluto sperimentalmente è impossibile, ma cerchiamo di capire perché.
La terza legge della termodinamica, nota anche come il principio di Nernst, afferma che è impossibile raggiungere lo zero assoluto tramite un processo finito utilizzando un numero finito di operazioni.
Ciò implica che, per raggiungere lo zero assoluto, sarebbe necessario un numero infinito di operazioni di raffreddamento, il che è irrealizzabile nella pratica.
Per capire meglio questo ragionamento possiamo pensare al celebre paradosso di Zenone, quello di Achille e la tartaruga:
Achille, il veloce eroe greco, non riesce mai a superare la tartaruga perché, nonostante la sua velocità, la tartaruga avanza sempre un po' più avanti ad ogni passo compiuto da Achille. La tartaruga compie una serie infinita di piccole distanze, e Achille provando a coprirle si ritrova sempre un infinitesimo di distanza dietro alla tartaruga.
Nonostante l'impossibilità pratica di raggiungere lo zero assoluto, chi si occupa di questo affascinante ramo della fisica è riuscito a raggiungere valori estremamente prossimi allo zero assoluto, dell’ordine dei miliardesimi di Kelvin (che sarebbe come dire 0,000000001 K…insomma molto freddo!).
Lo zero assoluto e l’astronomia 🪐
La Terra, il pianeta che abitiamo, si trova a una notevole distanza dalla tempertura zero assoluto grazie all'energia del Sole che ci riscalda costantemente.
Infatti la temperatura più bassa mai registrata sulla Terra in condizioni naturali è stata di -89,2°C, misurata in Antartide nel luglio del 1983. Sicuramente freddo, ma trattandosi di +183,95 Kelvin siamo ben al di sopra dello zero assoluto. Per nostra fortuna!
Gli altri pianeti del sistema solare invece non se la passano così bene. Più ci allontaniamo dal Sole, più le temperature scendono: su Nettuno e Urano, che sono i più freddi del sistema solare, la temperatura media è intorno ai 50 gradi Kelvin (circa -223°C).
La temperatura nello spazio
Ma nello spazio vuoto e profondo, che temperatura c’è? Potresti pensare che ci sia finalmente lo zero assoluto. Invece anche qui siamo un pochino al di sopra, perché si osservano mediamente circa 2,7 Kelvin.
Il motivo è nella radiazione cosmica di fondo, l’energia originale rilasciata dal Big Bang 14 miliardi di anni fa e che pervade tutto lo spazio provocando un leggero innalzamento della temperatura, anche nel vuoto cosmico.
Siamo arrivati alla fine di un piccolo viaggio che ha messo il concetto di temperatura in una nuova prospettiva, grazie alla fisica. Ora sai che quando apri il freezer, l’aria che fuoriesce a -18 °C è in realtà riscaldata ad oltre 255 gradi Kelvin sopra il suo minimo possibile! 🤯