Oggetti con varie temperature nello stesso momento

La temperatura è una di quelle quantità che è al tempo stesso familiare e incredibilmente complicata una volta superata la sua definizione di base. Per un gas ideale, è proporzionale all’energia cinetica delle sue particelle costituenti. In generale, la descrizione è connessa all’energia interna del sistema. La misurazione della temperatura viene eseguita macroscopicamente dai termometri, due corpi in contatto raggiungeranno, in un certo lasso di tempo, la stessa temperatura.

Farlo nel mondo quantistico (fisica quantistica) non è così semplice. L’energia non può essere conosciuta con precisione arbitraria a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg. O si isola completamente l’oggetto per stabilirne la sua energia o si utilizza un termometro che però ne influenzerà il sistema.

Non c’è vittoria quando si vuole misurare la temperatura quantica. Un recente studio pubblicato su Nature Communications descrive una versione generalizzata della relazione di incertezza energia-temperatura, che rimane valida sia per i sistemi quantistici sia per quelli classici. La temperatura ha una certa incertezza che non può essere ridotta, ma questo ci permette di tenerne conto.

Il termometro ed il gatto di Schrödinger

Un problema, in particolare, è la sovrapposizione degli stati energetici. Il concetto di sovrapposizione è stato reso famoso dal fisico Erwin Schrödinger. Nel suo esperimento mentale più conosciuto, un gatto è intrappolato in una scatola con una fiala di veleno che può essere attivata da un processo quantico. Dal momento che lo scienziato non ha moda di sapere cosa stia accadendo lì, il gatto è sia vivo che morto, esiste in due stati allo stesso tempo. Per il termometro, questo accade per gli stati di temperatura.

“Nel caso quantico, un termometro quantistico … sarà in una sovrapposizione di stati energetici contemporaneamente”, ha detto l’autore Harry Miller, dell’Università di Exeter, a Live Science. “Quello che scopriamo è che, poiché il termometro non ha più un’energia ben definita ed è in realtà in una combinazione di stati diversi contemporaneamente, ciò contribuisce effettivamente all’incertezza della temperatura che possiamo misurare”.

I risultati sono importanti per la progettazione di termometri ottimali su scala nanometrica . Questi potrebbero non essere utili nella vita di tutti i giorni, ma svolgeranno un ruolo fondamentale nel buon funzionamento di molte tecnologie imminenti.

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