Ci siamo imbattuti diverse volte in quella che viene definita temperatura assoluta, che si misura in Kelvin. Molti di voi sapranno già che lo zero assoluto di questa scala si trova a -273,15 °C; non tutti però sanno che a temperature prossime allo zero assoluto si verificano alcuni fenomeni piuttosto affascinanti.

Premettiamo che si tratta di una temperatura “limite”: secondo le leggi sia della termodinamica classica, sia della meccanica quantistica, lo zero assoluto non può mai essere effettivamente raggiunto.

Vediamola dal punto di vista classico. Supponiamo di voler raffreddare un corpo: per farlo, bisognerà trasferire calore all’ambiente, che a un certo punto diventerà più caldo del corpo stesso. Il secondo principio della termodinamica ci informa che per trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo bisogna spendere una certa quantità di energia (motivo per cui frigoriferi e condizionatori consumano corrente elettrica). D’altra parte, secondo il teorema di Nernst, man mano che il corpo più freddo si avvicina a 0 Kelvin, l’energia necessaria a raffreddarlo ulteriormente tende a infinito.

La meccanica quantistica dà una spiegazione diversa ma coerente con quella termodinamica; infatti, allo zero assoluto ogni atomo dovrebbe avere temperatura nulla, e dato che l’energia cinetica è proporzionale alla temperatura, la velocità di vibrazione di ogni atomo dovrebbe essere precisamente zero. Questo, però, andrebbe a violare il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale non possiamo conoscere la velocità di una qualsiasi particella con infinita precisione, altrimenti la sua posizione sarebbe totalmente indefinita. Ciò significa che le particelle conservano una qualche minima velocità di vibrazione, che permetta di restare entro i limiti del principio di indeterminazione. Anche in questo caso, lo zero assoluto resta irraggiungibile.

Al momento, il record di temperatura più bassa mai raggiunta è detenuto dal Lounasmaa Laboratory in Finlandia, che ha raffreddato un pezzo di rodio ad appena 100 picoKelvin (un decimiliardesimo di grado sopra lo zero assoluto). Se andiamo a considerare volumi più grossi invece il record appartiene al team CUORE dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che ha raffreddato un metro cubo di rame a sei millesimi di Kelvin. Raggiungere temperature così basse, oltre al rappresentare di per sé una sfida sia teorica, sia tecnologica, ha degli importanti risvolti per la ricerca. Innanzitutto, abbassando le temperature, si possono studiare eventi molto rari e molto deboli tipici della fisica delle particelle, che a temperature più alte non sarebbero rilevabili perché le energie a essi associate sarebbero “coperte” dal rumore di fondo degli atomi che vibrano.

Ma non solo: avvicinandosi alla temperatura proibita, la materia comincia a esibire effetti particolari. Abbiamo già spiegato come alcuni materiali, raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica (solitamente molto bassa) diventino superconduttori, ossia conducano la corrente elettrica senza dissipare energia. Una corrente elettrica generata in un superconduttore può continuare a circolare per tempi lunghissimi senza bisogno di generatori. Inoltre, i superconduttori sono diamagneti perfetti: se si trovano in un campo magnetico, le linee di forza del campo non attraversano il superconduttore, e questo offre la possibilità di sfruttarli per la levitazione magnetica.

Un magnete levita sulla superficie di un superconduttore. (immagine da wikimedia commons)

Alcuni elementi, come l’elio, al di sotto di una certa temperatura sono liquidi ma perdono completamente la viscosità, e quindi scorrono senza attrito. Messi in moto in un sistema di tubature, possono continuare a circolare per milioni di anni, almeno fintanto che le temperature vengono mantenute sufficientemente basse. Questo particolare stato della materia si chiama superfluido. Nei superfluidi le particelle si muovono in modo perfettamente coordinato tra di loro, e quindi la loro entropia è nulla. I superfluidi mostrano dei comportamenti bizzarri: non formano vortici se il recipiente in cui sono contenuti viene fatto ruotare, e possono arrampicarsi sulle pareti di un contenitore fino a fuoriuscirne. Il fenomeno è analogo a quello che si osserva quando l’acqua aderisce alle pareti di un recipiente, ma solitamente la viscosità impedisce all’acqua di arrampicarsi oltre un certo livello. Nei superfluidi, le forze di adesione predominano sulla viscosità e quindi il superfluido arriva facilmente a traboccare. Un altro fenomeno curioso è il cosiddetto effetto fontana: immergendo in elio superfluido un tubo di vetro sigillato sul fondo con della polvere di carbone e riscaldando il carbone, l’elio liquido “accorre” nel tubo e zampilla dalla sua estremità superiore.

Quest’ampolla di vetro contenente elio superfluido non è bucata; la goccia è formata dall’elio che trabocca dai bordi formando una pellicola di liquido chiamata “pellicola di Rollin”. (immagine da wikimedia commons)

Le applicazioni dei superfluidi non sono di immediata fruibilità, ma sono nondimeno interessanti. Per esempio, nel campo della spettroscopia chimica, è possibile usare l’elio superfluido come “solvente quantistico” dissolvere delle molecole gassose in un superfluido. Grazie all’assenza di viscosità, le proprietà cinetiche delle molecole dissolte sono preservate e possono venire studiate senza dover usare la sostanza allo stato di gas, il che potrebbe risultare complicato o impossibile. I superfluidi hanno inoltre una elevatissima conducibilità termica, e questa caratteristica, combinata alle proprietà refrigeranti, viene sfruttata per stabilizzare la temperatura di alcuni magneti superconduttori, tra cui ad esempio quelli utilizzati nel Large Hadron Collider al CERN. Infine, attraversando un superfluido la luce può rallentare fino fermarsi, un fenomeno che si pensa di poter utilizzare nell’ambito della comunicazione per immagazzinare informazioni.

Saremmo tentati di concludere che, dal momento che lo zero assoluto è irraggiungibile, non si possa proprio andare sotto, ma come avevamo già accennato, non è così. Nel 2013 sono stati creati dei sistemi a temperatura assoluta negativa, e anche in questo caso la materia ha mostrato proprietà inattese; se siete curiosi, affronteremo il discorso molto presto.