Abaixo do zero absoluto

Nesta semana, deparei-me com a intrigante notícia de que cientistas alemães haviam conseguido obter temperaturas abaixo do zero absoluto. Mas como assim?
Há um bom tempo eu venho ensinando aos meus alunos que estas temperaturas não podem ser alcançadas. Será que agora eu deveria rever meus conceitos?

Na realidade, em determinadas condições especiais, quando nos referimos ao comportamento quântico de alguns gases, a definição de temperatura difere bastante da que aprendemos no ensino médio, através da física clássica. Resolvi então ater-me justamente a este ponto, para que possamos entender um pouco melhor este assunto.

Em meados de 1800, William Thomson (foto), que ficou mais conhecido como Lord Kelvin definiu a escala de temperatura absoluta, estabelecendo a partir de então que nada poderia ser mais frio do que o zero absoluto. Os físicos perceberam depois que a temperatura absoluta de um gás está relacionada com a energia cinética média das suas partículas. Temperaturas mais elevadas significavam energias cinéticas mais altas. O zero absoluto (-273,15ºC), por sua vez, corresponderia ao estado teórico em que as partículas estariam paradas, sem nenhum tipo de movimento. No entanto, na década de 1950, os físicos que trabalhavam com sistemas mais exóticos começaram a perceber que isso não era sempre verdade. 

Em condições normais, a maioria das partículas têm energia média ou próxima da média, e apenas algumas partículas têm energias mais altas. 
Na teoria, se a situação for invertida, com maior quantidade de partículas com níveis de energia mais altos, o sinal da temperatura absoluta passa de positivo para negativo, explica Ulrich Schneider, um dos físicos que comandou as pesquisas, na Universidade Ludwig Maximilian, em Munique, na Alemanha.

Schneider e seus colegas chegaram a tais temperaturas sub-zero-absolutas usando um gás quântico ultra frio feito de átomos de potássio. Com o auxílio de lasers e campos magnéticos, eles mantiveram os átomos individuais em um arranjo estrutural bem definido. Nas temperaturas positivas, os átomos se repelem, tornando a configuração estável. A equipe então ajustou rapidamente os campos magnéticos, fazendo com que os átomos se atraíssem, em vez de se repelirem. "Isso de repente muda os átomos de seu estado mais estável, o estado de menor energia, para o estado de energia mais alta possível, antes que eles possam reagir", diz Schneider. "É como andar por um vale, então imediatamente encontrar-se no cume da montanha."
Essa transição fez com que a temperatura do gás atingisse alguns bilionésimos de graus abaixo da temperatura de zero absoluto.

Na física clássica, o conceito de temperatura abaixo do zero absoluto não faz muito sentido. Uma vez que os átomos pararam de vibrar, o que restaria?
Entretanto, esta não é realmente a história completa da definição da temperatura. Há também uma coisa chamada entropia, que define a quantidade de desordem de um sistema.
Em um gás normal, através do aumento da temperatura (por aumento da energia no sistema), também aumenta a entropia (desordem).

A maioria dos sistemas tradicionais, como gases, não pode alcançar as chamadas temperaturas negativas, porque a adição de energia corresponde a um aumento na entropia, mas, em um estado quântico, é possível alcançar temperaturas "Kelvin" negativas, onde a adição de energia na verdade diminui a entropia. Isto vai contra as leis da termodinâmica clássica, mas é teoricamente permitido pela mecânica quântica - as leis da física que definem o muito, muito pequeno. Em sistemas quânticos é possível definir um arranjo onde haja mais partículas nos estados de energia mais elevada do que nas inferiores. Pode-se então dizer que o gás está a uma "temperatura negativa". 
  
Na Wikipedia (em inglês) há uma boa explicação para o conceito de temperatura negativa. Um trecho que traduzi diz : "Uma substância com temperatura negativa não é mais fria do que o zero absoluto, mas sim mais quente do que a temperatura infinita.  A escala de temperatura do mais frio para o mais quente ocorre desta forma:"

 0 K,.. , 300 K,. . , + ∞ K, - ∞ K,. . , -300 K,. . , -0 K

Repare que, nestes sistemas, conforme aumentamos a energia, o aumento das temperaturas segue um padrão particular. Uma substância com temperatura negativa não é mais fria do que o zero absoluto, mas sim mais quente do que a temperatura infinita. Estranho, não é? Bem característico das coisas que acontecem na mecânica quântica.

A conclusão a que pude chegar é que tudo se resume a como se define a temperatura. Ao invés de pensarmos que foi quebrado um conceito fundamental da termodinâmica clássica, devemos entender que temperaturas abaixo do zero absoluto só podem ser alcançadas em condições muito especiais de um gás. 
Em termos gerais, para a maioria das substâncias "macros" a que estamos acostumados, o conceito do inatingível zero absoluto continua valendo.

Fontes:

http://www.sciencemag.org/content/339/6115/52
http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146
http://www.newscientist.com/article/dn23042-cloud-of-atoms-goes-beyond-absolute-zero.html
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=temperatura-abaixo-zero-absoluto&id=010170130107