Se você pensava que o quarto de uma criança, um Prêmio Nobel norueguês e um apontador laser não tinham nada em comum, dois físicos da UA estão prestes a esclarecê-lo.

É difícil de acreditar, mas depois de ter desvendado muitas das leis que fazem o universo funcionar, os físicos ainda não chegaram a um acordo sobre se algo aparentemente tão simples como "quente" ou "frio" pode ser medido em um sistema sob certas circunstâncias.

"Imagine que você jogou um iceberg no sol e pouco antes de ele derreter e ir embora, voce queria saber, 'Quão quente está aquele iceberg naquele momento?' Essa seria uma pergunta significativa a se fazer? ", Diz Charles Stafford, professor do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da UA. "De acordo com a física tradicional, não seria. "

Simplificando, o conhecimento tradicional afirma que propriedades como temperatura ou voltagem só podem ser medidas enquanto o sistema estiver em equilíbrio. (Dica:um iceberg mergulhando no sol, não.)

"Temperatura e voltagem são duas variáveis ​​básicas desenvolvidas no século 19, "Stafford diz, "portanto, pode ser um choque que tais noções básicas não tenham, até agora, uma definição matematicamente rigorosa, exceto para o caso de equilíbrio, um caso idealizado que não ocorre na natureza, exceto talvez pela 'morte por calor' prevista para marcar o fim do universo. "

Junto com o estudante de doutorado Abhay Shastry, o primeiro autor do estudo, Stafford usou modelagem matemática para explorar este enigma. Eles publicaram seus resultados recentemente no jornal Revisão Física B . Seu manuscrito mostra que essas duas quantidades estão tão intimamente ligadas que é impossível conhecer uma sem conhecer a outra.

"Mostramos que, na verdade, qualquer estado de um sistema, mesmo longe do equilíbrio, pode ser caracterizado por uma temperatura, "Stafford diz.

É aqui que o quarto da criança entra em jogo. (Veremos os ganhadores do Prêmio Nobel e ponteiros laser em breve.)

Tudo no universo - de quarks a galáxias - tem uma tendência inerente de atingir o equilíbrio com seus arredores e dirigir-se ao maior grau possível de desordem. Na realidade, este fenômeno, chamada entropia e descrita na Segunda Lei da Termodinâmica, é um pouco mais complicado, mas não vamos nos preocupar com isso por enquanto. Afinal, sabemos disso intuitivamente:coloque um cubo de gelo em uma bebida e deixe-o quieto por um tempo; breve, as moléculas de água no cubo de gelo deixaram sua estrutura de cristal altamente ordenada e se estabeleceram em um equilíbrio aconchegante, feliz se misturando com sua desordem, irmãos aquosos. O mesmo vale para as coisas do quarto das crianças:deixe as coisas em paz por um tempo, sem arrumar - essa é a ideia.

Aquele iceberg que está prestes a vaporizar quando o jogamos ao sol antes ilustra um sistema que é muito, muito longe do equilíbrio, mas vamos dar uma olhada em um exemplo mais comum:um apontador laser comum. Quando você aperta o botão para ativar aquele ponto vermelho de luz pelo qual seu gato é tão louco, um inferno se solta dentro do pequeno dispositivo.

"Quando eles estão lasing, os elétrons dentro do dispositivo ficam mais quentes do que uma temperatura que chamamos de 'mais infinito, '"Shastry diz." Se você aquecer uma panela de água, não importa o quão quente, mesmo se você vaporizasse a um milhão de graus, ainda não estaria tão quente quanto os elétrons do laser. "

Agora, é importante ressaltar que estamos falando sobre fenômenos quânticos aqui - neste caso, a temperatura do elétron, o que não tem nada a ver com a temperatura da luz do laser e é a razão pela qual o seu ponteiro laser não vaporiza instantaneamente em sua mão após a ativação.

No entanto, se você pudesse de alguma forma tocar os elétrons em seu laser, seria muito, muito quente, Shastry explica.

O ponto, de acordo com os dois físicos, é que quando um laser está fazendo efeito, está muito longe do equilíbrio, muito mais do que, dizer, fenômenos meteorológicos. Ao contrário do clima, que é impulsionado em grande parte por diferenças térmicas, sistemas como semicondutores e dispositivos eletrônicos são acionados eletricamente, que podem empurrar seus componentes - neste caso, elétrons - muito mais longe do equilíbrio do que o calor.

Sob a visão atual, os físicos diriam que medir a temperatura em um dispositivo que está longe do equilíbrio não pode ser feito. Os resultados de Stafford e Shastry dizem, sim, pode ser feito, mas isso evoca outra questão:por que alguém iria querer?

"A tecnologia microeletrônica atual é limitada pelo fato de que os dispositivos dissipam muito calor, e estão ficando cada vez menores, "Stafford diz." À medida que ficam menores, eles dissipam mais calor, então isso está criando um grande problema para o avanço da tecnologia.

"Porque mostramos que é possível definir temperaturas e tensões mesmo na escala subatômica, e defini-lo rigorosamente, pode-se esperar fazer dispositivos integrados de tal forma que se possa ter resfriamento local de apenas um ponto no dispositivo onde fica aquele transistor que está ficando muito quente, em vez de resfriar todo o chip. Atualmente, não há como fazer algo assim. "

Stafford e Shastry estão explorando uma possível colaboração com Pramod Reddy, um colega da Universidade de Michigan, cujo laboratório estabeleceu o recorde na criação de um termômetro capaz de medir a temperatura em alguns átomos, submeter suas descobertas a um estudo experimental.

Outro exemplo ao qual o trabalho pode se aplicar é a ressonância magnética nuclear, uma tecnologia usada rotineiramente em imagens médicas.

"Alguém que passou por isso pode não ter percebido que os núcleos atômicos de seu corpo foram colocados em um estado de temperatura negativa absoluta, que é mais quente do que qualquer coisa no universo, mas esse é o caso, "Stafford diz.

"Nossa teoria é muito geral. Ela se aplica a muitas coisas, de plasmas quark-gluon gerados em aceleradores de partículas a ponteiros de laser para estrelas de nêutrons, "Shastry diz." Todos eles seguem exatamente o mesmo formalismo. "

Como um produto colateral desta pesquisa, Shastry e Stafford fornecem a primeira prova de uma versão da Segunda Lei da Termodinâmica formulada em 1931 pelo químico norueguês Lars Onsager, que se aplica em particular a processos termoelétricos, um feito que escapou à comunidade da física por 85 anos.

"A Segunda Lei da Termodinâmica é a mais geral, não apenas as leis da física, mas todas as leis da natureza, "Stafford diz." E há muitos praticantes neste campo da física quântica que estão propondo que a segunda lei não se aplica a sistemas que estão em um estado que está longe do equilíbrio, mas mostramos que sim. "

Acontece que tudo tem que respeitar a segunda lei. Incluindo um quarto infantil.