Fino a che punto si può raffreddare un sistema? La risposta, stando all'ultimo studio pubblicato su Nature Communications, è che non si può raffreddare allo zero assoluto. A qualcuno potrà sembrare una questione di lana caprina (ma non lo è, più avanti spiegheremo il perché), in realtà la cosa è dibattuta da un centinaio di anni e oggi si è arrivati a definire i "limiti di velocità" al raffreddamento, con la dimostrazione matematica di un principio secolare secondo cui non è possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche).
Nel 1906 il chimico tedesco Walther Nernst (che per questo incassò il Nobel per la chimica nel 1920) enunciò quello che è anche noto come Teorema di Nernst, secondo cui non è possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche). Inoltre, l'entropia per un solido perfettamente cristallino, alla temperatura di 0 kelvin è pari a 0.
Scesero in campo nella discussione anche "pesi massimi" come Albert Einstein e Max Planck che non erano convinti da questo enunciato, e nel 1912 lo stesso Nernst aggiunse un'altra clausola, il principio di irraggiungibilità, secondo cui lo zero assoluto è fisicamente irraggiungibile. Nel loro insieme, queste due regole costituiscono la terza legge della termodinamica.
Nonostante i fisici siano sempre rimasti convinti della validità di questo principio, c'è chi nel tempo l'ha messo in dubbio. Ricordiamo per esempio i ricercatori tedeschi della Ludwig Maximilian University, che nel 2013 pubblicarono uno studio secondo il quale era possibile raggiungere temperature inferiori allo zero assoluto, grazie a un sistema dotato energia ma con bassissima entropia.
Ora Jonathan Oppenheim e Lluís Masanes dello University College London hanno matematicamente dimostrato il principio di irraggiungibilità e messo i limiti a quanto velocemente si possa raffreddare un sistema, creando quella che ha i connotati di una prova generale del terzo principio della termodinamica.
Oppenheim ha spiegato in parole molto semplici che "in informatica la gente chiede sempre quanto tempo ci vuole per eseguire un calcolo. Proprio come un calcolatore esegue un calcolo, una macchina per il raffreddamento raffredda un sistema". La domanda che si sono posti Oppenheim e Masanes è quindi: quanto tempo ci vuole a raffreddare?
"Abbiamo dimostrato che è impossibile raffreddare un sistema allo zero assoluto in un tempo finito, e abbiamo stabilito un rapporto tra il tempo e la temperatura più bassa possibile. È la velocità di raffreddamento".
Il raffreddamento può essere pensato come una serie di fasi: il calore viene rimosso dal sistema e scaricato ripetutamente nell'ambiente circostante, e ogni volta il sistema diventa sempre più freddo. Di quanto si raffredda dipende da quanto lavoro può essere fatto per rimuovere il calore, e dalla dimensione del serbatoio per eliminarlo.
Applicando tecniche matematiche dalla teoria quantistica dell'informazione, i due ricercatori hanno dimostrato che nessun sistema reale potrà mai raggiungere la temperatura di 0 Kelvin: ci vorrebbe un numero di passi e un serbatoio infiniti.
Però è possibile avvicinarsi di molto allo zero assoluto, e al riguardo Masanes e Oppenheim hanno quantificato le fasi di raffreddamento, fissando i limiti di velocità a cui un dato sistema si può raffreddare in un tempo finito. Il dato è importante, perché anche se non potremo mai raggiungere lo zero assoluto, potremo andarci dannatamente vicino (come la NASA il laboratorio CAL) e vedere comportamenti atomici a cui non abbiamo mai assistito prima.
Non solo. Con i progressi del calcolo quantistico, la necessità di quantificare la velocità e il limite di raffreddamento di un sistema è sempre più pressante. Per memorizzare i dati, le particelle in un computer quantistico vengono messe in particolari stati di energia; l'energia supplementare e il calore che portano le particelle fuori da questi stati possono degradare o distruggere i dati memorizzati.
Detto questo, al momento i limiti fissati da questo studio sono molto meno severi rispetto alle limitazioni tecnologiche; in altre parole non si sono comunque raggiunte temperature o velocità di raffreddamento vicine ai limiti stabiliti da Masanes e Oppenheim. Tuttavia si raggiungeranno man mano che la tecnologia progredirà, e questi limiti inizieranno a diventare rilevanti all'atto pratico.
Lo studio completo è pubblicato su Nature.