Temperatures negatives i la simplicitat de la física

300px-NegativeTemperature-SvsE.jpg La física té una curiosa característica que sembla absolutament contradictòria: És una ciència fàcil. De fet, és tant fàcil que la majoria de conceptes, per estranys que siguin, es poden descriure simplement amb una, o unes poques equacions. Això únicament pot passar en temes molt senzills. Intentar ficar la complexitat d’un sistema biològic en una equació és un repte digne de veure. I que dir de pretendre resumir el funcionament del cervell en un sistema d’equacions? Això per no ficar-nos en psicologia o sociologia. Aquestes ciències fan servir matemàtiques i equacions, però de manera molt pobre i per fer unes aproximacions francament allunyades de la realitat. En canvi, la física, com que és simple, pot permetre’s aquests luxes i per això és, potser, la ciència que ha tingut els èxits més espectaculars.

El problema és que malgrat tot, als que no som físics ens sembla difícil. Endimoniadament difícil. Ja veiem complicada la física normaleta, no diguem doncs quan parlem de fenòmens relativistes, de camps de forces o de mecànica quàntica. Son coses tan estranyes que tot el personal disposat a prendre el pèl el primer que fan és fer referència a energies o fenòmens quàntics per assegurar-se que ningú entengui res del que diuen i així les seves ximpleries passen desapercebudes. Psicologia quàntica diferencial? Salut quàntica?

(Nota: Si us parlen de qualsevol cosa “quàntica” sense que sigui un físic, quasi segur que és una presa de pèl. Amb els temes “energètics” també cal vigilar.)

El problema és que els temes biològics o socials ens resulten propers i podem visualitzar-los amb facilitat. Això ens fa pensar que són senzills, però en realitat la complexitat per estudiar-los és molt més gran. La física entra en qüestions extremadament allunyades de la nostra experiència diària. Unes qüestions on la nostra manera de veure les coses ja no serveix. Per això ens sembla tan estranya. I per això, quan topem amb notícies relacionades amb la física i fem servir els nostres paràmetres arribem a conclusions errònies. Mai no recordem que els nostres paràmetres rarament els podem aplicar a la física. Fins i tot monstres de la comunicació com Feynman advertien d’aquesta dificultat.

Però els humans, al menys la gran majoria, necessitem visualitzar les coses. Els grans físics ja només calculen i no intenten traspassar-ho al nostre camp d’experiència perquè saben que és impossible. I quan ho han de fer, fan servir analogies que de seguida grinyolen. Els electrons tenen una característica anomenada espín i ens diuen que els hem d’imaginar com una esfera que gira i que pot fer-ho en una o altra direcció. Això serà l’espín. Visualment funciona, però la realitat és que només és una mena de metàfora i que els electrons no son boletes girant. La única manera que tenim per visualitzar el món quàntic és a base de metàfores, però és important no oblidar mai que només són metafores i no la realitat.

I ara ha sortit la notícia d’una temperatura absoluta negativa. Això ha generat uns titulars molt desconcertants i que indueixen a confusió. Tots recordem que la temperatura absoluta mesura el grau de moviment de les molècules. Quan queden aturades parlem del zero absolut i per tant, sembla impossible aconseguir temperatures negatives!

En aquests cassos, abans de parlar de trencaments de les lleis de la física, de viatges en el temps o de la matèria fosca intergalàctica, el que cal fer és buscar ràpidament un físic que ens digui de que va la cosa. Aquesta vegada fins i tot es podia mirar la Wikipedia. Aleshores descobrim que parlen de termodinàmica estadística, on es fa servir un concepte de temperatura lleugerament diferent del que tenim en ment habitualment. No entraré en detalls, que no soc físic i molts se m’escapen (aquí ho explica molt bé), però té a veure amb el nivell d’entropia del sistema i, encara que sembli estrany, la temperatura pot anar augmentant fins ser infinita, passar a ser “negativament infinita” i a partir d’aquí simplement ser negativa. Estrany? I tant, si pensem en les temperatures del termòmetre! però no gaire si pensem en sistemes tancats que mesuren el grau de desordre del sistema.

(Demano disculpes als físics per parlar de grau de desordre i entropia, que se que els fa molta ràbia. Una altra metàfora amb massa èxit).

En tot cas, per entendre el risc d’intentar imaginar tot això com una cosa quotidiana, haurem de tenir presente que en aquests sistemes de temperatures termodinàmiques, un objecte amb temperatura negativa pot estar més calent que un amb temperatura positiva. I tots dos estan per sobre del zero absolut. És que la física pot ser “simple”, però això no vol dir que sigui intuitiva.

I millor que vigilem, perquè segur que en dos dies sortirà algú parlant de com curar les “vibracions del karma termodinàmicament negatives”.

8 comentaris

  • Sinera

    10/01/2013 8:41

    Per cert que resulta molt fàcil “curar les vibracions del karma termodinàmicament negatives”. Si et passes la nit pesant figues i el dia mirant tele-brossa no notaràs mai aquestes vibracions del karma termodinàmicament negatines. Ni tan sols fa falta apel·lar a les propietats quàntiques de tot plegat. Perdoneu l’estupidesa!

  • Sinera

    09/01/2013 19:03

    Òndia, Joan! Després d’això que tu dius i saps…

    “Això és que els estadístics defineixen 1/T com la derivada de l’entropia respecte de l’energia. La magnitud natural seria 1/T que va de infinit (zero absolut) a zero (on ara tenim T infinita) i després decau fins a menys infinit…”

    … doncs ja em sento més “burro” que abans… Ufff!

    Felicitats als nous físics!

  • Xavier

    09/01/2013 17:11

    Felicitats pel blog.
    Aquest és un dels raonaments recurrents que intento fer arribar als meus alumnes: la física no explica res, solament prediu … resultats i moltes vegades contradictoris amb l’experiència quotidiana.

  • Joan Codina

    09/01/2013 13:01

    Me n’oblidava. M’ha agradat molt la presentació. Tens tota la raó. La física és la més senzilla de les ciències perquè mira de simplificar el màxim els problemes amb el mínim de conceptes (però s’ha de tenir una mentalitat diferent a les altres ciències).

    PS: Buff.. doncs jo prefereixo intentar entendre l’spin com “una rotació” . Si li preguntes a un quàntic ortodox et dóna una resposta pitjor encara (amb menys interpretació física).

    PPS: No li preguntis a un de parícules que t’envia a l’equació de Dirac i alé, surt sol.

  • Joan Codina

    09/01/2013 12:52

    Entropies decreixents!! Carai quina notícia!!

    En Feynman és bestial. Això és com provar d’explicar com es fa un ou ferrat si saps que l’altra persona no coneix ni les paelles, l’oli ni el foc.

    PS: M’ha costat d’entendre quin problema hi havia amb tot plegat (el concepte de temperatura negativa) fins que he interpretat l’esquema i he pensat. Ah!! Però si aquest problema l’he fet i no tenia re d’especial.. Això és que els estadístics defineixen 1/T com la derivada de l’entropia respecte de l’energia. La magnitud natural seria 1/T que va de infinit (zero absolut) a zero (on ara tenim T infinita) i després decau fins a menys infinit.

    PPS: Porto passo d’una hora des que he llegit l’article mirant coses de temperatures.

  • Sinera

    09/01/2013 11:47

    PERDÓ! PERDÓ! PERDÓ!

    Em deia que no entenia el CODI!!!

  • Sinera

    09/01/2013 11:46

    Ens ho has posat molt difícil, Daniel! Gràcies per l’enllaç “aquí” que ho aclareix força. Fins i tot m’han fet jugar al “Gas Molecules Simulation” (http://www.falstad.com/gas/) que és divertir encara que no s’entengui gran cosa.

    Com menys entenc les coses més admirat em sento de que hi així qui pugui arribar tan lluny en el coneixement de tot plegat.

    Estic “fent” un curs de la Caltech “Drugs and the brain” i, tot hi no entendre massa coses també em desperta una sana i gran admiració veure on s’ha arribat en el coneixement dels processos neuronals. És bestial!

  • Carquinyol

    09/01/2013 9:01

    Serà molt simple i t’ho explicaràs d’allò més bé, pero jo et confeso que avui no m’he enterat de res !!!

    Després revisaré els enllaços que indiques a veure si hi ha més sort.