Cientistas alcançam uma proeza “impossível”: temperatura abaixo do zero absoluto

A temperatura é uma medida que está relacionada à energia cinética média das moléculas de uma substância. Esfriar o corpo ou gás é diminuir a agitação térmica ou energia cinética, e aumentar a temperatura é aumentar a agitação térmica, ou energia cinética das moléculas.

Olhando por este aspecto, a menor temperatura é aquela em que as moléculas não têm mais energia cinética, e é chamada de “zero absoluto”, porque se entende que não tem temperatura mais baixa.

Agora, alguns pesquisadores alegam ter conseguido temperaturas mais baixas em uma “região” estranha, chamada de “temperaturas negativas”. E o mais esquisito é que eles dizem que uma maneira de entender estas temperaturas é pensar nelas como sendo mais quentes que uma temperatura infinita.

Esta estranha conquista pode, segundo eles, levar a motores que tecnicamente poderiam ter mais de 100% de eficiência, e lançar uma luz em alguns mistérios da física moderna, como a “energia escura”, a força que está acelerando a expansão do universo.

Bizarra temperatura negativa

Para entender as temperaturas negativas que os cientistas estão falando, é preciso pensar em uma escala de temperatura que não é linear, mas está em um “laço”. As temperaturas positivas estão de um lado e as temperaturas negativas do outro. Quando as temperaturas ficam abaixo do zero absoluto ou além do infinito, elas entram na região da escala de temperatura negativa.

Quando a temperatura é positiva, diferentes átomos estão com diferentes estados de energia, mas eles têm uma probabilidade maior de estar em estados de energia baixos, em vez de altos, um padrão conhecido na física como distribuição de Boltzmann. Conforme você aquece o objeto, os átomos podem atingir estados de energia mais altos. No zero absoluto, os átomos ocupam o estado de energia mais baixo.

Em uma temperatura infinita, temos átomos em todos os estados de energia. As temperaturas negativas seriam então o contrário da temperatura positiva, e os átomos teriam maior probabilidade de ocupar estados de energia altos em vez de baixos. Esta seria a distribuição de Boltzmann invertida.

Em outras palavras, o gás está mais quente que no zero absoluto; está até mesmo mais quente que em qualquer temperatura infinita, mas está com a distribuição de Boltzmann invertida, o que faz da temperatura uma temperatura negativa.

E objetos com temperatura negativa se comportam de forma estranha. Por exemplo, a energia tipicamente flui de objetos com alta temperatura positiva para objetos com temperatura positiva baixa, ou seja, objetos mais quentes aquecem objetos mais frios, até que seja atingido o equilíbrio térmico.

Mas, no caso de objetos com temperatura negativa, a energia sempre vai fluir deles para os objetos com temperaturas positivas. Ou seja, objetos com temperatura negativa sempre estão “mais quentes” que objetos com temperatura positiva.

Outra consequência estranha das temperaturas negativas tem a ver com a entropia. Quando objetos com temperatura positiva liberam energia, eles aumentam a entropia do seu entorno, mas objetos com temperatura negativa, ao liberar energia, absorvem entropia.

Experimento maluco de física

Para gerar temperaturas negativas, os cientistas criaram um sistema onde os átomos têm um limite máximo para a energia que podem conter. Eles resfriaram cerca de 100.000 átomos para uma temperatura de alguns nanokelvins, ou bilionésimos de graus acima do zero absoluto.

Isto foi feito em uma câmera de vácuo, que isolava os átomos de qualquer influência que poderia aquecê-los acidentalmente. O comportamento de cada átomo foi controlado com precisão, usando uma rede de laser e campos magnéticos. Com a posição dos átomos limitada pelos raios laser, sua energia cinética também foi limitada.

A temperatura também está ligada à pressão – quanto mais quente algo é, mais ele expande, e quanto mais frio, mais contrai. Para certificar-se de que o gás tivesse uma temperatura negativa, eles também tiveram que fazer que ele tivesse uma pressão negativa, mexendo com as interações até que eles se atraíssem mais do que se repelissem.

“Criamos o primeiro estado de temperatura absoluta negativa para partículas móveis”, afirmou o pesquisador Simon Braun, da Universidade de Munique, na Alemanha. A temperatura obtida foi de alguns nanokelvins negativos.

Novos tipos de motores

Temperaturas negativas podem ser usadas para criar máquinas térmicas – que convertem energia térmica em trabalho mecânico – que tenham mais de 100% de eficiência, algo que parece impossível. Estas máquinas não absorveriam energia de substâncias mais quentes, mas de substâncias mais frias. Desta forma, o trabalho realizado poderia ser maior que a energia tomada de uma substância quente.

As temperaturas negativas também podem ajudar a resolver um dos grandes mistérios da ciência: a energia escura. A energia escura acelera a expansão do universo, afastando as galáxias. No caso da temperatura negativa, a pressão negativa do gás frio deveria fazer com que o mesmo entrasse em colapso, mas a temperatura negativa impede que isto aconteça. De uma certa forma, as temperaturas negativas têm um paralelo interessante com a energia escura que pode ajudar os cientistas a entender esse enigma.

Finalmente, as temperaturas negativas também podem lançar uma luz sobre os estados exóticos da matéria, gerando sistemas que normalmente não ficariam estáveis. Mais ainda, o pesquisador Schneider observou que “uma melhor compreensão da temperatura pode levar a coisas novas que ainda nem foram pensadas. Quando se estuda o básico em bastante profundidade, você não sabe onde isto pode te levar”. [Science 2.0, Inovação Tecnológica, ScienceNews, Nature, Wired, NewScientist]

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33 respostas para “Cientistas alcançam uma proeza “impossível”: temperatura abaixo do zero absoluto”

  1. Mais uma vez nossa Fé é abalada e voltamos a repensar as leis da fisica e as coisas como pensamos que São. As leis da termodianamica estão indo pro ralo…Terá algum paladino que as Salvem? Ou um mascateiro qualquer tentará nos convencer que sempre foi assim porem algumas observações não tenham sido notadas…uma gambiarra e tudo volta ao normal.. Penso que as leis estão e sempre estarão certas. Nós é que tendemos a engessa-las e não temos visão para compreende-las e observa-las completamente

  2. Eu já desconfiava que o universo é como um moto contínuo. Veja a gravidade. Uma vez criada não desaparece nunca mais. Ela faz um buraco negro, uma galáxia e tudo no universo girar indefinidamente. A energia elétrica potencial que existe fora do universo, é infinita e se transforma em matéria, infinitamente M=E/C2, atravéz de descargas de raios gama. Não tem mais que discutir: Existe o motor perpétuo. O universo nunca terá fim e aumenta de tamanho infinitamente.

  3. Lucas Noetzold / 13.01.2013
    Talvez você tenha razão. As leis podem estar erradas: Segundo Einstein e a primeira lei da termodinâmica, exista no início do universo (átomo primordial) uma quantidade finita de matéria e energia. Eu acho que existia uma quantidade infinita de energia que está se transformando em matéria infinitamente a cada instante. Isto explicaria melhor o seu equilíbrio térmico e toda a massa do universo. O universo é extremamente gigantesco.
    O universo cresce de fora para dentro e não de dentro para fora.

    • Mesmo sendo um sistema completamente fechado, a energia que o motor precisaria para se alimentar seria exatamente a mesma que ele produz, em sistemas abertos ainda há perda por atrito e até mesmo campos magnéticos. Isso só seria possível se as leis da termodinâmica estivessem erradas (e talvez estejam).

  4. …eu já tinha um sólido conceito sobre temperaturas a baixo do Zero Kelvin. Agora, obtidas na prática é necessário desenvolver toda uma Física correspondente a esse estado (ambiente). Relativo ao comportamento de diversas substâncias. Principalmente gases.

    • Mas já somos viajantes do tempo, ou não? Estamos sempre viajando para o futuro. As controvérsias são quanto a podermos acelerar ou não essa viagem. rsrs Segundo as teorias que surgiram após a Relatividade, sim. Dizem (sou um grandessíssimo leigo) que os aviões acumulam “falhas” nos cronômetros devido as viagens em alta velocidade. Por exemplo, se dois cronômetros são rigorosamente sincronizados e se um é submetido à uma viagem de jato super veloz enquanto o outro permanece “parado”, o primeiro se apresenta uma fração de segundos adiantado quando comparados novamente. Por esse motivo os sistemas de navegação dos aviões são configurados de forma a conter este tipo de “erro”.

  5. Ele escreveu isso, devido as condições do experimento deles ter sido efetuado num sistema teoricamente fechado, dessa forma a energia cedida no processo, de acordo com o princípio termodinâmico (entropia), seria a mesma quantidade de energia utilizada para gerar trabalho, porém, como explicado posteriormente, o sistema acabou gerando mais energia do que lhe foi concedido, dessa forma a entropia seria negativa.
    Pra mim ficou claro que a não existe nenhuma verdade absoluta, mas nenhuma mesmo…
    Vale lembrar que a quando o sistema é fechado S=(DQ/DT)=0 ou seja a energia não varia no tempo.
    E se S>0 a entropia é positiva, mostrando um grau de desordem no processo.
    Há quem diga que a entropia no universo é sempre positiva.
    Fica provado que não, já que S<0 nesse caso…

  6. Ele escreveu isso, devido as condições do experimento deles ter sido efetuado num sistema teoricamente fechado, dessa forma a energia cedida no processo, de acordo com o princípio termodinâmico (entropia), seria a mesma quantidade de energia utilizada para gerar trabalho, porém, como explicado posteriormente, o sistema acabou gerando mais energia do que lhe foi concedido, dessa forma a entropia seria negativa.
    Pra mim ficou claro que a não existe nenhuma verdade absoluta, mas nenhuma mesmo…

    Vale lembrar que a quando o sistema é fechado S=(DQ/DT)=0 ou seja a energia não varia no tempo.
    E se S>0 a entropia é positiva, mostrando um grau de desordem no processo.
    Há quem diga que a entropia no universo é sempre positiva.
    Fica provado que não, já que S<0 nesse caso…

  7. Poderemos então dizer não a morte térmica universal ?.
    Poderemos reescrever a teoria do BB ?.

    No universo anterior ao BB tudo poderia estar em um estado de energia negativa.
    Ou a materia universal que observamos flui de um estado positivo para um estado de temperatura negativo e causa um fluxo de materia que nos parece originar de um BB.

    A Fisica se enrolou ?

    • Você poderia explicar, por favor? to entendendo seu raciocínio, mas quais são suas teorias? tipo, o universo vai resfriar até o ponto onde ele vai parar de aumentar a entropia e diminuir?? é isso?

    • Vide em “Morte Térmica do Universo” http://pt.wikipedia.org/wiki/Morte_t%C3%A9rmica_do_universo#Hist.C3.B3ria o seguinte trecho traduzido de um artigo de Lord Kelvin “Sobre a idade do calor do sol” (Thomson, William. (1862). “On the age of the sun’s heat”, Macmillan’s Mag., 5, 288-93; PL, 1, 394-68.):

      “…O resultado seria inevitavelmente um estado de repouso e morte universal, se o universo fosse finito e deixado a obedecer às leis existentes. Mas é impossível conceber um limite para a extensão da matéria no universo; e conseqüentemente a ciência aponta a um progresso infinito, através de um espaço infinito, da ação envolvendo a transformação da energia potencial no movimento palpável em calor, do que a um único mecanismo finito, funcionando decrescentemente como um relógio, e parando para sempre…”

      Comentário na Wikipédia:

      “…Aqui, percebe-se os paradigmas da Física do século XIX, em pensar o Universo como infinito em tamanho e de geometria de um espaço euclideano infinito, (…) fundamentada ainda na Mecânica Clássica de Newton, anterior (…) à Cosmologia consequente da Teoria Geral da Relatividade e suas implicações.

      Nos anos que se seguiram tanto os artigos de Thomson em 1852 e 1865, tanto Helmholtz e Rankine creditaram a Thomson a ideia, mas leituras adicionais em seus artigos nas publicações estabelecem que Thomson afirmava que o universo iria terminar em uma “morte térmica” (Helmholtz) a qual iria ser o “fim de todos os fenômenos físicos” (Rankine)…”

      MAS a teoria do BIG RIP ( http://pt.wikipedia.org/wiki/Big_Rip ) atualizou essa ideia de Lord Kelvin, mostrando a possibilidade de a energia escura ter o poder de “desvanecer” (mandar para o nada, para a inexistência) a matéria-energia no Universo. A questão que surge, aí, é que foi demonstrado (pelo Efeito Casimir https://www.google.com.br/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CDEQFjAA&url=http%3A%2F%2Fpt.wikipedia.org%2Fwiki%2FEfeito_Casimir&ei=s7LuUJXyBISE8ASUo4HwCA&usg=AFQjCNHt0JAGnM4GJskfFd3UwBheLc43mA&bvm=bv.1357700187,d.eWU ) que no continuum espaço-tempo, sem átomos e sem energia, há flutuações quânticas no vácuo http://pt.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1cuo#As_flutua.C3.A7.C3.B5es_qu.C3.A2nticas_no_v.C3.A1cuo

      No documentário da série “O Universo” há o episódio “Apocalipse Cósmico” (no youtube https://www.google.com.br/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=video&cd=2&cad=rja&ved=0CDoQtwIwAQ&url=http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DDm6NzPuv1JI&ei=N7XuULLkOZLq0QHq04HQDw&usg=AFQjCNFsvdNMlPtuAVXuycDyFswrvbj5PA )que mostra, em linguagem para leigos, o que vem a ser a influência da Energia Escura no Big Rip universal.

      É um episódio com 44 min. de duração. A partir de 41:25 min. vc pode ouvir Alex Filippenko, astrofísico da Universidade da Califórnia em Berkeley, comentando sobre a criação de novos universos a partir de uma flutuação quântica no vácuo (fenômeno que está sendo testado no LHC) e Sean Carrol, do Caltech, falando sobre a possibilidade de nosso próprio Universo ter nascido após o desvanecimento de outro Universo anterior.

      No entanto, se a temperatura pode se tornar negativa como nesse experimento mostrado aqui neste artigo do Hypescience, então há coisas na Natureza ainda desconhecidas que podem modificar completamente a perspectiva “nadificante” das teorias da morte térmica, trazendo novo alento aos modelos cíclicos http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_c%C3%ADclico em Cosmologia, das quais sou um entusiasta partidário.

      Além disso, Michio Kaku aventa outra possibilidade aos 42:53 min. do documentário que indiquei no youtube: é a que seres vivos avançadíssimos do futuro possam sobreviver ao colapso desse nosso Universo e passar, de alguma forma, para outro Universo nascente (ideia que lembra a série “Alienígenas do Passado” do The History Channel).

    • Jairo R. Morales

      Presentemente, os dados coletados apontam para o aumento de entropia.

      Mas nessa discussão, eu fico com Alex Filippenko, Sean Carrol e Michio Kaku!

      A História das Ciências mostra que o “verificacionismo” defendido pelos conservadores sempre perde para quem procura “falsear” o que está firmemente estabelecido.

      Como já disse Einstein: “…A imaginação é mais importante que o conhecimento. O conhecimento é limitado. A imaginação envolve o mundo…” e “…”Não existe nenhum caminho lógico para a descoberta das leis elementares do universo – o único caminho é o da intuição…”.

      Mas ele não ficou só nisso. Ele também disse: “…Minhas ideias levaram as pessoas a reexaminar a física de Newton. Naturalmente alguém um dia irá reexaminar minhas próprias ideias. Se isto não acontecer haverá uma falha grosseira em algum lugar…”.

      Einstein foi um dos maiores físicos e também um dos maiores matemáticos: mas o que precedeu suas teorias foram imaginação e intuição.

      Assim, é necessário pensar-se em outras alternativas para o “Big Freeze”, que trabalha com dados incompletos e, portanto, insuficientes para ter-se 100% de certeza da sua efetividade.

      “…Mais ainda, o pesquisador Schneider observou que “uma melhor compreensão da temperatura pode levar a coisas novas que ainda nem foram pensadas. Quando se estuda o básico em bastante profundidade, você não sabe onde isto pode te levar”…”.

    • Seria possível que a temperatura ficasse “negativa”, indo contra a entropia (pelo que entendi) e “revivendo” o universo.

    • Essa é uma possibilidade.

      Mas outra possibilidade, aventada por Michio Kaku, é que uma “flutuação quântica no vácuo” provocasse o “Big Bang” de outro Universo em outra dimensão, hipótese essa que está nos planos de experimentos do LHC (que quase sofreu embargo legal por causa disso!!!).

      Adicionalmente, recomendo-lhe ler o artigo “A Teria Cosmológica do Estado Quase Estacionário” https://www.google.com.br/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CDQQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.observatorio.ufmg.br%2Fpas35.htm&ei=seTwUODxEYbK9gTXqYGoBw&usg=AFQjCNF4RkiHEEaae6gBU7jgc69XPRJawg&bvm=bv.1357700187,d.eWU que vai resumir uma parte das discussões sobre a expansão acelerada do Universo.

      Trecho: “…Segundo Michael S. Turner, ‘…o maior desafio da cosmologia moderna é entender o real significado desta energia escura…’. Deve-se acrescentar que tal entendimento é vital para a própria sobrevivência do modelo padrão…”

    • @aguiarubra

      “Além disso, Michio Kaku aventa outra possibilidade aos 42:53 min. do documentário que indiquei no youtube: é a que seres vivos avançadíssimos do futuro possam sobreviver ao colapso desse nosso Universo e passar, de alguma forma, para outro Universo nascente.”

      Uma vez que dois dos modelos cosmológicos mais aceitos da atualidade (Vide: O Modelo Inflacionário e o Modelo da Inflação Caótica) prevêem que seria possível, sobre certas condições, criar flutuações no vácuo quântico que permitiriam o surgimento de um “universo-bebe” acredito que a hipótese levantada pelo Dr. Michio Kaku – de quem sou grande admirador também – parece ser bastante plausível.

      Aproveitando o assunto, talvez você (ou qualquer outro leitor interessado) saiba me responder se a “Lei de Conservação de Matéria” poderia ser uma barreira a essa empreitada: Uma vez que ao transitar de um universo para o outro você estaria “tirando” matéria de um deles.

    • Jairo R. Morales

      P.: “…a “Lei de Conservação de Matéria” poderia ser uma barreira a essa empreitada: Uma vez que ao transitar de um universo para o outro você estaria “tirando” matéria de um deles…”

      Comentário: o LHC está procurando o Bóson de Higgs, ou seja, um “quantum” do Campo de Higgs por onde as partículas virtuais constatadas no Efeito Casimir adquiriram massa e formaram nosso Universo.

      Essa pesquisa vai responder-nos questões como essa, ou seja, se a Lei de Conservação de Matéria significa que nosso Universo não produz mais matéria do que a que existe.

      No entanto, um “universo bebê” (que também faz parte de experimentos no LHC) seria um evento a ocorrer em outra dimensão espaço-temporal, diferente do nosso, que não implica retirar matéria de nosso Universo, mas de “criar” (?) matéria distinta!

      A Lei de Conservação de Matéria e Energia sofreria um “aperfeiçoamento” a partir da confirmação da existência do Bóson de Higgs (talvez em março deste ano).

      É preciso esperar o veredito final do LHC, que está custando muito a chegar.

    • @aguiarubra

      Muito obrigado pela explicação, ela ajudou a sanar algumas das minhas duvidas.

      Também gostaria também de recomendar a seguinte matéria, caso não a conheça: http://www.techtudo.com.br/curiosidades/noticia/2012/07/nave-conceito-transforma-vacuo-em-energia.html

      Achei fantástica a idéia dessa nave, inclusive já havia pensado em algo parecido (mas não tão bem elaborado) com isso em um momento de devaneio.

      “Imaginação é mais importante que inteligência.” A.E.

  8. Se eu disser que entendi perfeitamente estaria mentindo, mas teve uma coisa que me chamou a atenção: no quarto parágrafo diz que matéria quando em “temperatura negativa” vai contra a entropia, isso quer dizer que o universo não necessariamente tende de um estado de menor para maior entropia?

    • A primeira vez que li sobre “neguentropia” (o inverso de entropia) foi no livro “O Espírito, esse desconhecido”, de Jean Emile Charon (fisico teórico), Ed. Melhoramentos, 1990.

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