Zero absoluto

Zero absoluto é a mais baixa temperatura que pode ser representada em qualquer escala termométrica. Trata-se de uma temperatura teórica, equivalente a 0 K (lê-se zero kelvin), na qual todas as partículas constituintes de um sistema termodinâmico devem encontrar-se perfeitamente em repouso. Além disso, em 0 K, a medida de entropia do sistema é nula, em outras palavras, o sistema encontra-se na configuração mais organizada possível. O zero absoluto é equivalente a -273,15 ºC ou -459,67 ºF.

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Apesar de existir teoricamente, o zero absoluto não pode ser atingido na prática, ou seja, não existe qualquer porção de matéria em todo o Universo nessa temperatura, e isso só pode ser afirmado graças à 3ª Lei da Termodinâmica. Tal lei indica que o zero absoluto é inatingível. Por mais que tentemos resfriar um corpo a essa temperatura, ela nunca será alcançada. Para entendermos o motivo desse impedimento, devemos entender um pouco sobre um estranho princípio da física quântica: o princípio da incerteza.

Zero absoluto e o princípio da incerteza

Uma das razões de não podermos medir a temperatura de 0 K é a existência do princípio da incerteza, de Heisenberg. Esse princípio estabelece que não é possível medir com exatidão duas grandezas que são diretamente relacionadas, como a velocidade e a posição de uma partícula. Por isso, se tivermos certeza que um átomo encontra-se perfeitamente em repouso, perderemos completamente a certeza fa medida de sua posição.

Isso acontece porque, para podermos observar o átomo, por exemplo, é necessário interagir com ele, e essa interação ocorre por meio da troca de fótons, que são pequenos pacotes de energia que carregam consigo uma quantidade de movimento. Os fótons interagem com os átomos, transferindo-lhes parte de sua quantidade de movimento, dessa maneira, os átomos adquirem velocidade, passando a oscilar de acordo com a velocidade dos fótons incidentes. Isso nos indica que o próprio processo de medição da temperatura de uma partícula quântica já afeta a precisão da medida, por isso, jamais poderíamos medir algo em 0 K.

Caso fosse possível medirmos algo na temperatura de 0 K, o princípio da incerteza de Heisenberg seria violado. Além disso, se isso fosse possível, máquinas de Carnot que operassem com uma fonte fria a 0 K operariam com 100% de rendimento, violando princípios como a 1ª Lei da Termodinâmica, que trata da conservação da energia.

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Determinação do zero absoluto

Em 1848, Lorde Kelvin propôs a existência de uma medida de temperatura que viria a ser compreendida como o limite inferior de temperatura, o zero absoluto. Nessa temperatura, como todos os átomos devem estar parados, a pressão que é exercida por um gás deveria ser exatamente igual a zero.

Na época, Kelvin percebeu que, quando se resfriava um gás entre 0ºC e - 1ºC mantendo o seu volume constante, a sua pressão era reduzida em aproximadamente 1/273 vezes do seu valor inicial. Após diversos experimentos e medidas precisas de pressão e temperatura, Kelvin pôde extrapolar seus resultados experimentais e inferir que o limite inferior de temperatura era cerca de -273 ºC. As medidas mais atuais do zero absoluto, feitas com instrumentos e técnicas mais precisas, indicam que a medida obtida por Kelvin aproxima-se muito das medidas recentes: -273,15 °C.

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O zero absoluto já foi ultrapassado?

Desde a sua descoberta, físicos do mundo todo trabalham para que temperaturas cada vez mais próximas do zero absoluto sejam atingidas em laboratório. Esse interesse surge em razão das estranhas propriedades que a matéria passa a exibir quando sua temperatura aproxima-se dos 0 K. Apesar das tentativas, ainda não há indícios de que o zero absoluto tenha sido atingido ou até mesmo ultrapassado.

A menor temperatura já medida pelo ser humano foi produzida artificialmente em 2018 por meio do experimento Cold Atom Laboratory (CAL), que se encontra atualmente em órbita da Terra, a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS – sigla em inglês). Esse experimento vem sendo conduzido no espaço, uma vez que a gravidade da Terra pode afetar a precisão das medidas. Os experimentos feitos no CAL já foram capazes de obter temperaturas de até 1 picokelvin (10^-12 K), possivelmente a temperatura mais baixa de todo o Universo.

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Entretanto, existem indicações de que, sob certas condições, é possível que a temperatura de um agrupamento de átomos caia, mesmo que muito rapidamente, a temperaturas “abaixo do zero absoluto”. De acordo com um artigo publicado na revista Science, em 2013, um grupo de físicos da Universidade de Munique foram capazes de resfriar átomos a temperaturas abaixo de 0 K. Para tanto, os pesquisadores alinharam átomos de potássio por meio da aplicação campos magnéticos e feixes de laser.

Quando se aplica um campo magnético a átomos de potássio, seus níveis de energia dividem-se em dois valores possíveis, sendo um deles mais alto que o outro. Em seguida, alguns desses átomos passam a assumir um desses valores de energia. Os átomos que assumem o valor mais negativo passam a se comportar de maneira estranha: começam a atrair-se. Além disso, ao invés de serem atraídos pelo campo gravitacional externo, são repelidos. Esses fenômenos exóticos reproduzem o comportamento da energia escura, por isso, alguns físicos passaram a relacionar o ultrarresfriamento a essa forma de energia, que é possivelmente responsável pela origem da repulsão gravitacional que vem acelerando a expansão do Universo.

Apesar de frequentemente ser dito que os físicos de Munique fizeram com que átomos atingissem temperaturas abaixo do zero absoluto, não foi exatamente isso que aconteceu. De acordo com a definição termodinâmica de temperatura, ela é uma variação infinitesimal da entropia de um sistema em função de sua quantidade de energia. Assin, o que ocorreu de fato foi a diminuição forçada da entropia do sistema de átomos durante um intervalo de tempo muito pequeno (da ordem de nanossegundos), fazendo com que os átomos assumissem um estado de energia instável e, portanto, de curta duração, mas longo o suficiente para detectar o comportamento exótico da matéria.

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O que acontece no zero absoluto?

Quando a temperatura de algum corpo aproxima-se do zero absoluto, alguns fenômenos físicos interessantes podem surgir em decorrência de efeitos quânticos. Veja:

• Supercondutividade: Um dos fenômenos de baixas temperaturas mais conhecidos é a supercondutividade. Existem materiais cerâmicos que passam a se comportar como condutores perfeitos quando resfriados, tornando-se capazes de conduzir correntes elétricas sem que haja qualquer dissipação de energia.

• Superfluidez: Alguns gases condensados e resfriados a temperaturas bastante próximas do 0 K passam a se comportar como fluidos perfeitos, isto é, que não apresentam qualquer tipo de atrito com o seu recipiente e, por isso, podem escapar das paredes que o confinam espontaneamente.

• Condensados de Bose-Einstein: Quando um conjunto de átomos é suficientemente resfriado a temperaturas abaixo de 50 nK, o seu comportamento quântico passa a ser observado macroscopicamente, isto é, a porção de átomos passa a se comportar como uma onda capaz de produzir fenômenos ondulatórios, superfluidez, viscosidade nula etc.

Existe um grande interesse por parte da comunidade científica em se produzir temperaturas cada vez mais baixas e mais estáveis. Uma das intenções de se obter tais condições de temperatura é a de se implementar os computadores quânticos, que necessitam operar em temperaturas muito próximas do zero absoluto.

Créditos das imagens

[1] ESA/NASA - https://www.spacetelescope.org/images/heic0301a/

[2] NIST/JILA/CU-Boulder -  https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bose_Einstein_condensate.png