La temperatura es un concepto estadístico.
Los sistemas muy pequeños, consistentes en un pequeño número de partículas, no suelen describirse estadísticamente.
Ahora, los científicos han medido la forma en que los sistemas cuánticos alcanzan un estado con propiedades estadísticas bien definidas y, sorprendentemente, han descubierto que los sistemas cuánticos pueden tener diferentes temperaturas a la vez.
Que la conexión entre los sistemas cuánticos pequeños y los grandes sistemas obedezca a las leyes de la física clásica es una de las grandes preguntas abiertas de la física.
La temperatura es una magnitud física muy útil. Nos permite hacer una simple declaración estadística sobre la energía de las partículas que rondan alrededor de complicadas vías sin tener que conocer los detalles específicos del sistema.
Los científicos de la Universidad Tecnológica de Viena, junto con colegas de la Universidad de Heidelberg, están investigando ahora, cómo las partículas cuánticas alcanzan ese estado donde las declaraciones estadísticas son posibles. El resultado es sorprendente: una nube de átomos puede tener varias temperaturas a la vez.
Esto es un paso importante hacia una comprensión más profunda de los grandes sistemas cuánticos y sus exóticas propiedades.
Las estadísticas ayudan cuando las cosas se complican
El aire que nos rodea está formado por innumerables moléculas, moviéndose aleatoriamente alrededor.
Sería absolutamente imposible hacer un seguimiento de todos ellas y describir todas sus trayectorias.
Pero para muchos propósitos, esto no es necesario. Se pueden hallar las propiedades del gas que describen el comportamiento colectivo de todas las moléculas, como la presión del aire o la temperatura, lo que da lugar a la energía de las partículas.
En un día caliente de verano, las moléculas se mueven a unos 430 metros por segundo, en invierno un poco menos.
Este punto de vista estadístico (que fue desarrollado por el físico vienés Ludwig Boltzmann), ha demostrado un gran éxito y capaz de describir muchos sistemas físicos diferentes, desde ollas de agua hirviendo hasta las fases de transición de los cristales líquidos de las pantallas LCD.
Sin embargo, a pesar de los enormes esfuerzos, las cuestiones abiertas se han mantenido, especialmente respecto a los sistemas cuánticos.
El cómo surgen las bien conocidas leyes de la física estadística de las muy pequeñas partes cuánticas de un sistema, eso sigue siendo una de las grandes cuestiones abiertas en la física.
Caliente y frío al mismo tiempo
Los científicos de la Universidad de Tecnología de Viena han conseguido ahora estudiar el comportamiento de un sistema físico cuántico multi-partículas a fin de comprender la emergencia de sus propiedades estadísticas.
El equipo del profesor Jörg Schmiedmayer utiliza un tipo especial de microchip que atrapa una nube de varios miles de átomos y los enfría cerca del cero absoluto a -273°C, donde sus propiedades cuánticas se hacen visibles.
El experimento mostró resultados notables: Cuando se cambiaron abruptamente las condiciones externas en el chip, el gas cuántico podía asumir diferentes temperaturas a la vez. Podía ser frío y caliente al mismo tiempo.
El número de temperaturas depende exactamente de cómo manipulen el gas los científicos. "Con nuestro microchip podemos controlar muy bien los sistemas cuánticos complejos y medir su comportamiento", señala Tim Langen, autor principal del artículo publicado en "Science".
Ya se había hecho cálculos teóricos prediciendo este efecto, pero nunca había sido posible observarlo y producirlo en un entorno controlado.
El experimento ayuda a los científicos a comprender las leyes fundamentales de la física cuántica y su relación con las leyes estadísticas de la termodinámica. Esto es relevante para muchos diferentes sistemas cuánticos, tal vez incluso para aplicaciones tecnológicas.
Por último, los resultados arrojan alguna luz sobre la forma en que nuestro mundo macroscópico clásico emerge del extraño mundo de los pequeñísimos objetos cuánticos.
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- Fuente: Vienna University of Technology, vía EurekAlert .
- Imagen: Este es el microchip para capturar y enfriar nubes de átomos. Crédito: TU Wien
- Publicación: T. Langen, S. Erne, R. Geiger, B. Rauer, T. Schweigler, M. Kuhnert, W. Rohringer, I. E. Mazets, T. Gasenzer, J. Schmiedmayer. Experimental observation of a generalized Gibbs ensemble. Science, 2015; 348 (6231): 207 DOI: 10.1126/science.1257026.
- Imagen: Este es el microchip para capturar y enfriar nubes de átomos. Crédito: TU Wien
- Publicación: T. Langen, S. Erne, R. Geiger, B. Rauer, T. Schweigler, M. Kuhnert, W. Rohringer, I. E. Mazets, T. Gasenzer, J. Schmiedmayer. Experimental observation of a generalized Gibbs ensemble. Science, 2015; 348 (6231): 207 DOI: 10.1126/science.1257026.
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