Lo zero assoluto è un concetto affascinante in fisica, descritto come la temperatura teoricamente più bassa possibile nell'universo. In gradi Celsius equivale a -273,15 °C, ovvero 0 Kelvin sulla scala termodinamica. A questo punto gli atomi e le molecole cessano praticamente ogni movimento termico, poiché l'energia cinetica è ridotta al minimo. Tuttavia, raggiungere questo stato di estrema immobilità è qualcosa che va oltre i limiti pratici della scienza moderna.
Nonostante sembri un numero astratto, lo zero assoluto ha profonde implicazioni per la termodinamica, la fisica quantistica e persino per tecnologie come l’informatica quantistica e la criogenia. I ricercatori hanno lavorato per decenni per avvicinarsi il più possibile a questo limite, con esperimenti che hanno raggiunto temperature incredibilmente vicine. Ma perché, dopotutto, è così difficile raggiungere lo zero assoluto?
Cos'è lo zero assoluto?
Lo zero assoluto è definito come lo stato in cui l'energia termica di un sistema raggiunge il suo valore minimo possibile. In pratica ciò significa che gli atomi e le molecole, che normalmente vibrano e si muovono a causa del calore, sarebbero sostanzialmente immobili. Questa temperatura è descritta come 0 Kelvin (K) sulla scala termodinamica, equivalente a -273,15 °C o -459,67 °F.
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Per comprendere il concetto è importante ricordare che la temperatura è direttamente correlata al movimento delle particelle. Ad alte temperature, gli atomi si muovono rapidamente; a basse temperature questo movimento diminuisce. Lo zero assoluto rappresenta l'assenza quasi totale di movimento termico, dove l'energia cinetica delle particelle è così ridotta da avvicinarsi allo zero.
Nonostante ciò, lo zero assoluto è un’idea teorica. Anche se l’energia termica è al suo punto più basso, altri fattori, come il principio di indeterminazione di Heisenberg, impediscono che il movimento delle particelle cessi completamente. In questo modo, lo zero assoluto non è solo un punto di riferimento della temperatura, ma anche un limite fondamentale imposto dalle leggi della fisica.
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Perché è così difficile raggiungere lo zero assoluto?
Sebbene il concetto di zero assoluto sia ben definito, realizzarlo nella pratica rappresenta una sfida colossale. Ciò si verifica per diverse ragioni, molte delle quali sono radicate nelle stesse leggi della fisica.
Principi di termodinamica
Uno dei motivi più importanti è la seconda legge della termodinamica, la quale afferma che è impossibile raggiungere lo zero assoluto in un numero finito di passi. In termini semplici, ci sarà sempre una quantità residua di calore nel sistema, per quanto piccola, che impedirà alla temperatura di raggiungere esattamente 0 Kelvin.
Anche i processi di raffreddamento più avanzati, come l’uso di isoterme criogeniche e tecniche laser, devono affrontare limiti fisici. Quando il sistema si avvicina allo zero assoluto, è necessaria più energia per rimuovere il calore rimanente, rendendo il processo esponenzialmente più difficile e inefficiente.
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Effetti della meccanica quantistica
Un altro ostacolo significativo è legato alla meccanica quantistica. Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg non è possibile determinare simultaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella con assoluta precisione. Ciò significa che le particelle in un sistema non saranno mai completamente immobili, anche in condizioni estremamente fredde.
Inoltre, i sistemi quantistici hanno qualcosa chiamato “energia del punto zero”, che è l’energia minima che un sistema può avere. Questa energia residua impedisce la completa cessazione del movimento termico, rendendo irraggiungibile lo zero assoluto.
Limitazioni tecnologiche
Dal punto di vista tecnologico, raggiungere temperature prossime allo zero assoluto richiede attrezzature e condizioni estremamente avanzate. I laboratori di criogenia e fisica a bassa temperatura utilizzano metodi come il raffreddamento laser e la diluizione dell'elio-3 per raggiungere temperature incredibilmente basse.
Ad esempio, gli esperimenti sono già riusciti a raggiungere temperature di pochi nanokelvin (miliardesimi di Kelvin) superiori allo zero assoluto. Ma man mano che gli scienziati cercano di avvicinarsi ancora di più, le sfide pratiche aumentano in modo esponenziale. La necessità di isolare completamente il sistema da qualsiasi fonte di calore esterna, comprese le radiazioni elettromagnetiche, rende il compito quasi impossibile.
(Immagine: UMPOL CHINHANGOR/Shutterstock)
Interferenza ambientale
Inoltre, anche l’ambiente attorno al sistema raffreddato complica il processo. Anche nel vuoto dello spazio, dove la temperatura media è di circa 2,7 Kelvin a causa del fondo cosmico a microonde, lo zero assoluto è fuori portata. Qualsiasi interazione con l'ambiente, non importa quanto piccola, reintroduce l'energia termica nel sistema.
Qual è il valore dello zero assoluto?
Lo zero assoluto equivale a 0 Kelvin (K), che corrisponde a -273,15 °C o -459,67 °F. Rappresenta la temperatura più bassa possibile, dove il movimento termico delle particelle è praticamente inesistente.
Qual è la temperatura più fredda mai registrata sulla Terra?
La temperatura più fredda mai registrata sulla Terra si è verificata nel 1983, presso la stazione di ricerca di Vostok, in Antartide, quando i termometri hanno registrato un impressionante -89,2 °C. Tuttavia, negli esperimenti di laboratorio, gli scienziati hanno già raggiunto temperature molto più basse, vicine a 0 Kelv.
Lo zero assoluto è più di un semplice concetto teorico; rappresenta un limite fondamentale al quale la scienza moderna si è sempre più avvicinata, senza però raggiungerla. Le sue implicazioni vanno oltre la termodinamica, influenzando campi come la fisica quantistica e lo sviluppo di tecnologie innovative.
Sebbene i progressi scientifici continuino ad avvicinarci a questo limite, le leggi fondamentali della fisica suggeriscono che lo zero assoluto rimarrà sempre un obiettivo irraggiungibile.
Il post Cos’è lo zero assoluto e perché è così difficile raggiungerlo? è apparso per la prima volta su Olhar Digital.