Lo zero assoluto

Cos'è lo zero assoluto

Per comprendere il significato di zero assoluto, basta tener presente un concetto molto importante in fisica: il calore è movimento.
Più un oggetto è caldo, più le molecole che lo compongono si agitano, vibrano'.
E viceversa, più è freddo, più le sue molecole rallentano il movimento.
E' evidente che questo rallentamento non è infinito: ad un certo punto, le molecole si fermano del tutto.
Oltre non si può andare: le molecole infatti non possono essere più ferme di così.
Questo è appunto lo zero assoluto: la temperatura alla quale tutto è fermo all'interno della materia.
Tale temperatura è di -273,15°C (0K). E quel 'virgola 15' è estremamente importante.

Una barriera insuperabile

Nella nostra esperienza quotidiana, sappiamo che ci sono oggetti che si possono riscaldare e raffreddare.
Se ad esempio riscaldiamo una casseruola d'acqua calda, sappiamo che prima comincerà a scottare,poi l'acqua al suo interno comincerà a bollire, poi evaporerà completamente!
Girando la manopola di un ipotetico forno molto potente si potrebbe ottenere la fusione della casseruola, poi la sua vaporizzazione, a seconda che si raggiungano le centinaia, le migliaia o i milioni di gradi centigradi (°C)......
E in teoria potremmo continuare: sappiamo che la temperatura può raggiungere anche 10 milioni di gradi (all' interno del sole)!
Ma cosa succederebbe se anziché girare la manopola nel senso del caldo cominciassimo a girarla verso il freddo??
Una volta giunti a zero gradi centigradi ovviamente l'acqua congelerebbe.
Ma si potrebbe aumentare il freddo scendendo a -100°C, .200°C.
Curiosamente non riusciremmo mai a raggiungere i -300°C.
Non è possibile.
Sono le leggi fisiche che lo impediscono.
Al massimo riusciremmo a raggiungere -273,15°C. Che è ben poco rispetto ai milioni di gradi che si possono ottenere con il calore.

La scoperta dello zero assoluto

Come e quando venne scoperto il limite insuperabile del 'freddo', cioè la temperatura -273,15°C o 0°K.
La storia vuole che sia stato un fisico francese Guillome Amontons nel lontano 1702.
Certo Amontons non aveva frigoriferi e tutto il suo ragionamento fu puramente teorico.
L'osservazione fondamentale venne fatta sul gas e sul loro comportamento al variare della temperatura.
Era noto che aumentando la temperatura di un gas e mantenendo il volume (in pratica in una pentola a pressione) la pressione aumenta secondo una proporzione molto precisa descritta in una nota equazione. Amontons calcolò cosa sarebbe successo se il gas fosse stato progressivamente raffreddato.
Ad un certo momento la pressione sarebbe caduta a zero. La temperatura teorica a cui doveva accadere era appunto -273,15°C.

Una mela ghiacciata

In effetti, nel cosmo, che è il luogo più freddo che si conosca, non si raggiunge mai lo zero assoluto. Se si misura la sua temperatura, si arriva al massimo a -273°C , manca appunto il virgola 15, infatti si trova sempre un residuo dell'energia sprigionata dal Big Bang. (Va detto che lo studio della temperatura degli spazi intergalattici, chiamata: 'temperatura di fondo dell'Universo', è di fondamentale importanza per calcolare l'istante esatto del Big Bang) .
Ma sarà mai possibile arrivare allo zero assoluto?
Cioè potrà mai un sistema termodinamico perdere tutta la sua energia, fino al livello 'zero'? Il terzo principio della Termodinamica stabilisce che un sistema (oggetto) può perdere tutta la sua E, ma non la perderà mai tutta!
A questo punto la questione sembra chiusa. In realtà non lo è!: si può forse tirare fuori un asso dalla manica e modificare lo scenario.
E' vero che, da solo, un oggetto non riuscirà mai a raffreddarsi completamente.
Ma lo si può aiutare!
Si può cercare di sottrarre energia artificialmente da un oggetto. Ed è proprio quello che in molti laboratori di fisica si sta facendo.

Criogenia e Ultracriogenia

Il problema da risolvere, a questo punto, è quello di trovare un sistema capace di raffreddare moltissimo in oggetto, fino a farlo avvicinare il più possibile al traguardo dello zero assoluto.
E' una sfida molto interessante della fisica che ha coinvolto alcuni tra i migliori studiosi del secolo scorso e che ha dato origine a un ramo della ricerca molto importante: la Criogenia.
In questo secolo si è riusciti a costruire delle apparecchiature sempre più potenti, che funzionano con meccanismi molto complessi, ad esempio con miscele a base si elio. Recentemente, grazie ad un sistema magnetico applicato ai nuclei degli atomi, si è riusciti ad arrivare a un milionesimo di grado dallo zero assoluto

Frascati, il punto più freddo dell'universo

Sulla Terra si è riusciti a far meglio del più freddo di tutto l'universo.
E l'Italia è all'avanguardia in questo campo. Nel nostro paese, infatti, esistono le uniche due 'antenne ultracriogeniche' del mondo.
Una si trova a Frascati, presso i laboratori dell'INFN, ed è già in attività da più di 5 anni. L'altra è entrata in funzione di recente. Entrando nei laboratori di Frascati ci si trova di fronte ad una complessa apparecchiatura, dal nome spettacolare: 'Nautilus'.
Questa apparecchiatura non è un semplice frigorifero per raggiungere lo zero assoluto.
E' un rivelatore e serve a studiare le onde gravitazionali.
Cioè qualcosa di completamente diverso, ma i due concetti sono intimamente legati. Il Nautilus contiene un cilindro dalluminio di 3 metri daltezza, che pesa oltre 2 tonnellate.
Funziona come l'antenna di una radio, ma, anziché captare le onde radio, capta onde gravitazionali.
Per funzionare meglio ed essere sempre più sensibile, tuttavia, deve raggiungere il massimo del freddo possibile, di qui la necessità di arrivare sempre più vicino allo zero assoluto.
Per questo si è rinchiusa l'antenna in un sistema di 'scatole cinesi.
Sono sette involucri speciali, raffreddati con vari sistemi: è come se attorno all'antenna ci fossero sette 'superfrigoriferi'.
La temperatura del cilindro dalluminio non raggiunge mai lo zero assoluto.
Ma è molto vicino.
Più vicino di quanto si sia mai potuto ottenere.
A tal punto che, per quanto ne sappiamo oggi, può essere considerare il metro cubo di materia più freddo dell' universo conosciuto.
In futuro forse si riusciranno ad inventare apparecchiature più potenti e sofisticate, che ci consentiranno da arrivare vicinissimi allo zero assoluto. Ma sarà sempre impossibile superare questa barriera del freddo

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