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O universo está repleto de extremos. Os mais rápidos, os mais antigos, os mais distantes — há inúmeras coisas para explorar e admirar, maravilhando-se com as criações da natureza. Mas e os lugares mais frios? Você provavelmente já ouviu falar do zero absoluto, mas sabe o que acontece quando se chega a ele? Ou por que nada pode ficar mais frio?
O conceito básico de zero absoluto foi descoberto já em 1702. O inventor francês Guillaume Amontons teorizou sobre a existência de uma temperatura mínima possível após perceber que a pressão atmosférica e a temperatura estão inter-relacionadas. Seus experimentos o levaram à conclusão de que deveria haver um ponto além do qual a pressão não poderia cair e, portanto, a temperatura também não.
Amontons propôs uma temperatura mínima possível de -240°C. Considerando que ele não tinha conhecimento sobre o movimento atômico e que sua proposta data do início do século XVIII, é impressionante o quão perto ele chegou da verdade.
Foi somente em 1848 que o físico William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, definiu a escala com precisão suficiente e criou a escala Kelvin, que leva seu nome. Uma de suas motivações era criar uma escala de temperatura absoluta que fizesse sentido e eliminasse a necessidade de números negativos. Partindo do zero, só se pode subir.
É claro que, para a maioria de nós, no dia a dia, a escala Kelvin parece impraticável e complicada. Afinal, a escala Celsius é muito mais lógica, pois se baseia nos pontos de ebulição e congelamento da água, que são compreensíveis para as pessoas comuns.
Por sorte, os cientistas estão constantemente experimentando com temperaturas extremas apenas por diversão, então há muita pesquisa sendo feita sobre esse assunto. Pegue uma bebida quente e vamos descobrir.
Física do zero absoluto
Como a humanidade tem uma história bastante peculiar em relação a unidades de medida como pés, cordas, acres e outras, levou algum tempo até desenvolvermos algo consistente ou lógico. As escalas Celsius e Fahrenheit eram populares, mas é a escala Kelvin que leva as coisas a sério. Zero absoluto significa 0 Kelvin, a temperatura mais baixa possível. Isso corresponde a -273°C ou -459,67°F.
O frio é uma propriedade relativa de qualquer substância, relacionada ao movimento de seus átomos. É por isso que ele tem um limite e por isso que a temperatura mais baixa possível pode ser atingida — o zero absoluto. Este é o ponto em que os átomos de uma substância param completamente de se mover ou se aproximam o máximo possível desse ponto, e o sistema termodinâmico possui sua energia mais baixa possível.
Isso não significa necessariamente que os átomos parem completamente de se mover no zero absoluto, mas apenas que a energia atômica não pode ser transferida de forma alguma. Nem a menor quantidade de calor, mesmo a mais insignificante, quase imperceptível, é liberada. Como o calor é liberado pelo movimento dos átomos, e esses átomos transferem essa energia para outros átomos com os quais entram em contato, não há transferência de calor no zero absoluto.
Para a maioria de nós, o zero absoluto não passa de uma ninharia. Nunca o descobriremos na vida real e, certamente, não teremos muito tempo para apreciá-lo se o fizermos, pois ele nos mataria muito rapidamente.
Em condições de laboratório onde o zero absoluto é praticamente atingido, os cientistas observaram mudanças notáveis na física. Por exemplo, a temperaturas extremamente baixas, algumas substâncias fluem para cima em vez de para baixo, desafiando a gravidade. As reações químicas também são forçadas a obedecer ao frio.
No zero absoluto, qualquer reação química deveria, teoricamente, parar instantaneamente. À medida que o zero absoluto se aproxima, os cientistas conseguem desacelerar significativamente reações que normalmente ocorrem em frações de segundo, permitindo-lhes observar e até mesmo manipular o processo reacional.
A ciência em temperaturas ultrabaixas nos permite observar fenômenos como a mecânica quântica, que seriam inacessíveis em temperaturas comuns. É exatamente por isso que esse campo é tão fascinante para os cientistas: ele permite estudar e observar alguns dos mecanismos fundamentais que regem a existência de partículas e reações no Universo, mas de uma forma visível para nós.
O lugar mais frio do universo
Todos sabem que as profundezas do espaço são incrivelmente frias, mas quando se trata do zero absoluto, é apenas morno. Nas regiões mais escuras do espaço, a temperatura chega a 2,7 Kelvin. Claro, isso mataria qualquer criatura viva, pois é -270,45 °C ou -453,8 °F, mas ainda está muito longe do zero absoluto.
É claro que as temperaturas no espaço não são uniformes. Estrelas como o nosso Sol aquecem o ar à medida que se aproximam, portanto, para atingir temperaturas baixas, é preciso encontrar um lugar no meio do nada.
A 5.000 anos-luz da Terra encontra-se a chamada Nebulosa do Bumerangue. Composta de poeira e gases ionizantes, é talvez o lugar natural mais frio que você jamais encontrará. No centro da nebulosa, uma gigante vermelha está morrendo e, à medida que perde todo o seu material estelar a uma taxa astronomicamente alta, aproximadamente 250 vezes mais rápida que um caça F-16, também está perdendo calor rapidamente.
A temperatura da nebulosa foi medida em aproximadamente um grau Celsius acima do zero absoluto. Para efeito de comparação, a temperatura mais baixa já registrada na Terra foi de -89,2°C (-128,6°F) em 1983. Isso equivale a escaldantes 183,95 Kelvin. Essa temperatura foi registrada na Estação Vostok, na Antártida. Isso significa que a temperatura na nebulosa é aproximadamente três vezes mais baixa do que qualquer outra já registrada na Terra, o que parece bem menos assustador do que realmente é.
É possível criar o zero absoluto em laboratório?
Uma das coisas interessantes sobre o zero absoluto é que os cientistas conseguiram chegar bem perto dele em condições de laboratório. Alguns conceitos científicos precisam permanecer altamente teóricos. Ninguém ainda conseguiu criar um buraco negro ou desenvolver uma forma de viajar no tempo. Mas, se você está procurando o zero absoluto, o melhor que conseguimos até agora foi 38 picokelvins, o que equivale a 38 trilionésimos de grau acima do zero absoluto. Isso foi alcançado ao deixar cair gás rubídio magnetizado em uma torre em um laboratório alemão; é exatamente assim que substâncias extremamente frias são produzidas atualmente.
Embora 38 partes por trilhão pareça incrivelmente próximo, provavelmente nunca chegaremos muito mais perto desse valor. É geralmente aceito que o zero absoluto jamais poderá ser alcançado devido às flutuações quânticas. A termodinâmica também nos impede de atingir a temperatura mais baixa absoluta, e discutiremos isso um pouco mais adiante.
Quanto à humanidade, outro obstáculo é a imperfeição da tecnologia. Em algum ponto, aparentemente além de 38 trilionésimos de grau, simplesmente não conseguimos medir com precisão suficiente para afirmar com segurança que atingimos o zero absoluto perfeito. O zero absoluto e sua menor fração seriam indistinguíveis das leituras de nossos instrumentos.
O problema com os instrumentos de medição é tão sério que já foi sugerido que, mesmo se conseguíssemos atingir o zero absoluto, talvez nem sequer o percebêssemos devido à potencial imprecisão. Isso exigiria um termômetro capaz de medir a temperatura com precisão infinita, e tal dispositivo obviamente não existe, portanto, jamais conseguiremos obter as medições precisas de que precisamos.
Felizmente, muitos cientistas que trabalham nessa área de pesquisa não visam o zero absoluto. Temperaturas próximas ao zero absoluto são de grande interesse, pois ainda permitem movimentos atômicos muito sutis. Reações ainda podem ser observadas, enquanto que no zero absoluto, praticamente não haveria nada para observar. Isso é o equivalente físico a acumular uma grande quantidade de matéria sem qualquer efeito.
Embora o conceito de zero absoluto seja magnífico, ele permanece teórico, e alguns ainda debatem se ele pode ser alcançado tecnicamente. No entanto, a ciência nem sempre concorda com essa afirmação.
Por que isso é impossível?
Neil deGrasse Tyson ofereceu diversas explicações sobre por que atingir o zero absoluto é, na verdade, impossível. Seu primeiro argumento baseia-se no princípio da transferência de calor, e ele usou o exemplo de uma geladeira. Você coloca alimentos à temperatura ambiente na geladeira, e o ar frio dentro dela remove o calor desses alimentos. Afinal, o calor existe, e o frio é simplesmente a sua ausência. Você remove essa energia térmica de algo, e esse algo se torna frio; você não precisa adicionar nada a ele.
Então, o ar mais frio na geladeira remove o calor dos alimentos mais quentes até que a temperatura geral da geladeira, do freezer ou de qualquer outro lugar onde o calor esteja sendo perdido seja atingida. Mas na escala Kelvin, há um problema com o zero absoluto. Para remover a última gota de calor de qualquer coisa e atingir o zero absoluto, você precisa de algo mais frio que o zero absoluto (isso começa por volta dos 8:20 do vídeo). Você precisa de algo mais frio do que isso para ser capaz de remover essa quantidade final, quase imensurável, de calor. Mas como algo assim poderia existir?
Tyson continua explicando o segundo problema. De acordo com a física quântica, nunca é possível saber exatamente onde os átomos em uma partícula estão. Flutuações quânticas devem existir constantemente, permitindo que esses átomos vibrem, mesmo que ligeiramente. Deve haver um limite quântico de zero absoluto que impeça os átomos de ficarem completamente imóveis, porque se isso acontecesse, a localização de qualquer átomo poderia ser determinada com precisão, e isso simplesmente não funciona com a física.
Em 1912, foi apresentada uma hipótese teórica sobre a impossibilidade de se atingir o zero absoluto em um período finito de tempo. Isso é conhecido como princípio da inatingibilidade. Ele deriva da primeira tese de Tyson sobre a busca de uma maneira de reduzir a tensão térmica pela última fração de grau necessária para atingir o zero absoluto.
Experimentos demonstraram que resfriar algo até o zero absoluto requer trabalho infinito ou um reservatório de resfriamento infinitamente grande. À medida que algo se aproxima do zero absoluto, sua entropia também se aproxima de zero e, de acordo com a física, é impossível preparar um sistema para um estado de entropia zero em um número finito de etapas.
Um experimento descobriu que o zero absoluto é teoricamente alcançável, mas requer três componentes: tempo, complexidade e energia. O problema revelado por esse experimento é que alcançar o zero absoluto exige uma quantidade infinita de um desses componentes. Enquanto isso for possível, o objetivo pode ser alcançado. Você pode perceber que esta é outra maneira de dizer que é impossível.
O que aconteceria teoricamente?
Sabe-se que, a temperaturas ultrabaixas, próximas do zero absoluto, forma-se um condensado de Bose-Einstein (BEC). O BEC é considerado um estado alternativo da matéria, mas só existe a essas temperaturas ultrabaixas. Ele se forma quando um gás é super-resfriado, fazendo com que átomos ou partículas subatômicas se fundam em uma entidade mecânica quântica. Isso soa como ficção científica, mas, essencialmente, significa que os átomos agem como uma única função de onda, como se tivessem simplesmente se fundido em um único superátomo.
Einstein, usando as fórmulas de Bose, previu que isso aconteceria muitas décadas antes de ser demonstrado na prática, mas obedece às regras da mecânica quântica. No entanto, isso só pode ocorrer em baixas temperaturas, já que os átomos individuais devem estar em energias tão baixas que começam a se mover juntos.
Se pudéssemos transcender esse estado de condensado de Bose-Einstein e atingir o verdadeiro zero absoluto, a matéria perderia toda a sua energia cinética. Se não houvesse energia cinética e os átomos estivessem congelados em estado sólido, o que você observou não poderia mais ser considerado matéria. Atualmente, a física, como a entendemos, não permite que a matéria simplesmente deixe de ser matéria.
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