Recentemente muito se tem discutido a respeito da temperatura absoluta, particularmente sobre o zero absoluto e sobre a possibilidade, verificada experimentalmente no final do ano passado, de chegarmos a temperaturas abaixo deste zero absoluto. Por isso resolvi escrever esta coluna, sem nenhuma intenção direta de explicar o experimento realizado para atingir tal temperatura, mas sim tentar clarear alguns conceitos que podem ajudar a entender um pouco mais sobre o que é o zero absoluto.
Lord Kelvin, do qual originou-se o nome da
escala absoluta de temperatura.
Enfim, temos que definir primeiro o que é temperatura. Temperatura é definida como o grau de agitação ou vibração média das moléculas constituintes de um certo sistema, por isso, temperatura está diretamente associada à energia térmica média de vibração das moléculas do sistema em questão. Quando aumentamos a temperatura, significa que injetamos energia no sistema, e por outro lado, quando diminuímos a temperatura, quer dizer que retiramos energia do referido sistema, através de uma variedade de processos possíveis. Se então supusermos um sistema composto por uma pequenas quantidade de átomos e formos retirando energia deste sistema, é natural (levando em conta apenas nosso senso comum) imaginarmos que quando toda energia tiver sido absorvida do sistema, os átomos atingirão um estado de energia nula, em que não haverá movimento algum destes átomos. Mas então, seria impossível falarmos em temperatura absoluta negativa? Ou se fosse, qual então seu significado?
Nesta escala de estudo dos constituintes da matéria e de suas leis, devemos nos atentar de que a mecânica clássica não é a teoria que dita as regras, mas sim a mecânica quântica e suas implicações. Dentro do conjunto de princípios e normas das mecânica quântica, existe um chamado princípio da incerteza de Heisenberg. Tal princípio estabelece que é impossível obter um total conhecimento da posição e o momento (velocidade) de uma partícula ao mesmo tempo. Em outras palavras, se você souber exatamente onde uma partícula se encontra, não pode saber nada sobre sua velocidade, e vice-versa. Onde isso se relaciona com a diminuição da temperatura de um sistema? Pois bem, quando falamos no zero absoluto, falamos também em cessar completamente a velocidade da partícula (átomo) e, portanto, conhecermos exatamente sua posição. Não é difícil de ver que este estado do sistema vai totalmente em oposição do que diz o princípio de incerteza de Heisenberg. Neste sentido, atingir o zero absoluto torna-se impossível, teoricamente e não alcançado experimentalmente, pois precisaríamos saber exatamente onde a partícula se encontra.
Então, que história é essa de ultrapassar a temperatura do zero absoluto?
Se temos carro com velocidade de 10m/s e queremos que este atinja 40m/s, teremos necessariamente de passar por todas as velocidades intermediárias, 11, 12, 13, 14m/s, etc. Com a temperatura, podemos imaginar algo análogo, ou seja, para resfriarmos um sistema de 10 Kelvin para 5 Kelvin (K), deveremos passar por todas as temperaturas intermediárias. Mas algo diferente ocorre quando vamos de 1K para -1K, por exemplo, pois neste caso necessitamos passar pelo 0K, ou seja, por uma temperatura que é impossível de ser alcançada de acordo com as teorias vigentes.
É aqui que está uma questão conceitual importante para entendermos a essência do experimento realizado no final do ano passado. Não iremos aqui entrar em detalhes de como o experimento foi realizado, tecnicamente falando, mesmo porque não tenho conhecimento sobre isso, mas o fato é que, sendo o zero absoluto uma temperatura crítica (temos um problema matemático e teórico neste valor), ele não foi atingido quando se obteve temperaturas abaixo do zero absoluto, e sim contornado. Em outras palavras, a temperatura do sistema foi imediatamente de um pequeno valor positivo para um pequeno valor negativo. A mudança não foi progressiva, não foi linear, como no exemplo do carro acima.
Portanto, o zero absoluto continua não alcançado, mesmo que temperaturas negativas absolutas tenham sido atingidas. Parece estranho para o senso comum, mas é fato. Para quem já passou pela graduação em algum curso de exatas e viu a disciplina sobre variáveis complexas, deve provavelmente ter se lembrado de quando se tem um ponto singular e devemos contorná-lo por algum procedimento matemático.
Abaixo uma bem pequena bibliografia que julgo interessante para ler mais sobre o assunto:
- Na revista Scientific American de Março de 2013, artigo: Os efeitos da bizarra temperatura negativa, de Cláudio Nassif.
Abraços!
J. F.
Nenhum comentário:
Postar um comentário