Als je dacht dat een kinderkamer, een Noorse Nobelprijswinnaar en een laserpointer hadden niets gemeen, twee UA-fysici staan ​​op het punt je te informeren.

Het is moeilijk te geloven, maar nadat we veel van de wetten die het universum doen tikken, hebben ontrafeld, natuurkundigen zijn het nog steeds niet eens over de vraag of iets ogenschijnlijk eenvoudigs als "warm" of "koud" onder bepaalde omstandigheden in een systeem kan worden gemeten.

"Stel je voor dat je een ijsberg in de zon gooit en vlak voordat hij is gesmolten en weg is, je wilde weten, 'Hoe heet is die ijsberg op dat moment?' Zou dat een zinvolle vraag zijn om te stellen?" zegt Charles Stafford, een professor in de afdeling Natuurkunde in het UA's College of Science. "Volgens de traditionele fysica, het zou niet zijn."

Simpel gezegd, traditionele kennis stelt dat eigenschappen zoals temperatuur of spanning alleen kunnen worden gemeten zolang een systeem in evenwicht is. (Hint:een ijsberg die in de zon duikt, is dat niet.)

"Temperatuur en spanning zijn twee basisvariabelen die in de 19e eeuw zijn ontwikkeld, "Stafford zegt, "dus het kan als een schok komen dat dergelijke basisbegrippen tot nu toe geen wiskundig strikte definitie hebben gehad, behalve in het geval van evenwicht, een geïdealiseerd geval dat niet in de natuur voorkomt, behalve misschien voor de 'hittedood' die voorspeld was om het einde van het universum te markeren."

Samen met promovendus Abhay Shastry, de eerste auteur van de studie, Stafford gebruikte wiskundige modellering om dit raadsel te onderzoeken. Ze publiceerden hun resultaten onlangs in het tijdschrift Fysieke beoordeling B . Hun manuscript laat zien dat deze twee grootheden zo nauw met elkaar verbonden zijn dat het onmogelijk is om de ene te kennen zonder de andere te kennen.

"We hebben aangetoond dat eigenlijk elke staat van een systeem, zelfs verre van evenwicht, kan worden gekenmerkt door een temperatuur, ' zegt Stafford.

Hier komt de kinderkamer om de hoek kijken. (We komen zo bij de Nobelprijswinnaars en laserpointers.)

Alles in het universum - van quarks tot sterrenstelsels - heeft een inherente neiging om evenwicht te bereiken met zijn omgeving en naar de grootst mogelijke mate van wanorde te gaan. In werkelijkheid, dit fenomeen, entropie genoemd en beschreven in de tweede wet van de thermodynamica, is iets ingewikkelder, maar laten we ons daar voorlopig geen zorgen over maken. Ten slotte, intuïtief weten we dit:plop een ijsblokje in een drankje en laat het even staan; spoedig, de watermoleculen in het ijsblokje hebben hun sterk geordende kristalstructuur verlaten en zijn tot een gezellig evenwicht gekomen, gelukkig vermengd met hun wanorde, waterige broeders. Hetzelfde geldt voor de spullen in de kinderkamer:laat de dingen een tijdje met rust zonder op te ruimen - je snapt het idee.

Die ijsberg die op het punt staat te verdampen toen we hem eerder in de zon gooiden, illustreert een systeem dat zeer, ver van evenwicht, maar laten we eens kijken naar een meer alledaags voorbeeld:een gewone laserpointer. Als je op de knop drukt om dat rode lichtpuntje te activeren waar je kat zo gek op is, een inferno breekt los in het kleine apparaatje.

"Als ze aan het laseren zijn, de elektronen in het apparaat worden heter dan een temperatuur die we 'plus oneindig' noemen, '" zegt Shastry. "Als je een pan water opwarmt, hoe heet ook, zelfs als je het verdampt op een miljoen graden, het zou nog steeds niet zo heet zijn als de elektronen in de laser."

Nutsvoorzieningen, het is belangrijk erop te wijzen dat we het hier hebben over kwantumverschijnselen - in dit geval de elektronentemperatuur, wat niets te maken heeft met de temperatuur van het laserlicht en de reden is dat uw laserpointer bij activering niet onmiddellijk in uw hand verdampt.

Hoe dan ook, als je op de een of andere manier de elektronen in je laser zou kunnen aanraken, het zou erg voelen, heel heet, Shastry legt uit.

Het punt, volgens de twee natuurkundigen, is dat wanneer een laser lasert, het is ver van evenwicht, veel meer dan, zeggen, weersverschijnselen. In tegenstelling tot het weer, die grotendeels wordt veroorzaakt door thermische verschillen, systemen zoals halfgeleiders en elektronische apparaten worden elektrisch aangedreven, die hun componenten kunnen duwen - in dit geval elektronen - veel verder van evenwicht dan warmte.

Onder de huidige weergave, natuurkundigen zouden zeggen dat het niet mogelijk is om de temperatuur te meten in zo'n apparaat dat ver van evenwicht is. De resultaten van Stafford en Shastry zeggen:Ja, het kan gedaan worden, maar dat roept een andere vraag op:waarom zou je dat willen?

"De huidige micro-elektronica-technologie wordt beperkt door het feit dat de apparaten veel warmte afgeven, en ze worden kleiner en kleiner, " zegt Stafford. "Naarmate ze kleiner worden, ze voeren meer warmte af, dus dit creëert een groot probleem voor het bevorderen van de technologie.

"Omdat we laten zien dat het mogelijk is om temperaturen en spanningen te definiëren, zelfs op subatomaire schaal, en definieer het rigoureus, je zou kunnen hopen apparaten te maken die zo geïntegreerd zijn dat je lokale koeling zou kunnen hebben van slechts één plek op het apparaat waar die ene transistor zit die erg heet wordt, in plaats van de hele chip te koelen. Momenteel, er is geen manier om zoiets te doen."

Stafford en Shastry onderzoeken momenteel een mogelijke samenwerking met Pramod Reddy, een collega aan de Universiteit van Michigan wiens lab het record heeft gevestigd in het maken van een thermometer die de temperatuur van een paar atomen kan meten, om hun bevindingen aan experimenteel onderzoek te onderwerpen.

Een ander voorbeeld waarop het werk van toepassing kan zijn, is kernmagnetische resonantie, een technologie die routinematig wordt gebruikt in medische beeldvorming.

"Iemand die dat heeft meegemaakt, heeft zich misschien niet gerealiseerd dat de atoomkernen in hun lichaam in een toestand van absoluut negatieve temperatuur zijn gebracht, die heter is dan wat dan ook in het universum, maar dat is het geval, ' zegt Stafford.

"Onze theorie is heel algemeen. Het is van toepassing op veel dingen, van quark-gluonplasma's gegenereerd in deeltjesversnellers tot laserpointers tot neutronensterren, "zegt Shastry. "Ze volgen allemaal exact hetzelfde formalisme."

Als bijproduct van dit onderzoek, Shastry en Stafford leveren het eerste bewijs van een versie van de Tweede Wet van de Thermodynamica, geformuleerd in 1931 door de Noorse scheikundige Lars Onsager, die met name geldt voor thermo-elektrische processen, een prestatie die de natuurkundegemeenschap 85 jaar lang was ontgaan.

"De tweede wet van de thermodynamica is de meest algemene van niet alleen de natuurwetten, maar alle wetten van de natuur, Stafford zegt. "En er zijn veel beoefenaars op dit gebied van de kwantumfysica die stellen dat de tweede wet niet van toepassing is op systemen die zich in een toestand bevinden die verre van evenwicht is, maar we laten zien dat het wel zo is."

Zoals het blijkt, alles moet de tweede wet respecteren. Inclusief een kinderkamer.