Vad skulle hända om du kastade ett isberg i solen? Hur överraskande det än kan tyckas, fysiker är fortfarande inte säkra. Kredit:NASA/SDO/AIA, NASA/STEREO, SOHO (ESA &NASA)
Om du trodde att ett barnrum, en norsk nobelpristagare och en laserpekare hade inget gemensamt, två UA-fysiker är på väg att upplysa dig.
Det är svårt att tro, men efter att ha redit ut många av lagarna som får universum att ticka, fysiker har fortfarande inte nått en överenskommelse om huruvida något så till synes enkelt som "varmt" eller "kallt" kan mätas i ett system under vissa omständigheter.
"Föreställ dig att du kastade ett isberg i solen och precis innan det har smält och borta, du ville veta, "Hur varmt är det där isberget just nu?" Skulle det vara en meningsfull fråga att ställa?" säger Charles Stafford, en professor vid institutionen för fysik i UA:s College of Science. "Enligt traditionell fysik, det skulle det inte vara."
Enkelt uttryckt, traditionell kunskap säger att egenskaper som temperatur eller spänning bara kan mätas så länge som ett system är i jämvikt. (Tips:ett isberg som störtar i solen är inte det.)
"Temperatur och spänning är två grundläggande variabler som utvecklades på 1800-talet, " Stafford säger, "så det kan komma som en chock att sådana grundläggande föreställningar hittills saknat en matematiskt rigorös definition förutom fallet med jämvikt, ett idealiserat fall som faktiskt inte förekommer i naturen, utom kanske för den "värmedöden" som förutspåddes markera slutet på universum."
Tillsammans med doktoranden Abhay Shastry, studiens första författare, Stafford använde matematisk modellering för att utforska denna gåta. De publicerade nyligen sina resultat i tidskriften Fysisk granskning B . Deras manuskript visar att dessa två kvantiteter är så nära sammanlänkade att det är omöjligt att känna till den ena utan att känna till den andra.
"Vi har visat att faktiskt vilket tillstånd som helst i ett system, till och med långt ifrån jämvikt, kan karakteriseras av en temperatur, " säger Stafford.
Här spelar barnrummet in. (Vi kommer till Nobelpristagarna och laserpekarna om en liten stund.)
Allt i universum – från kvarkar till galaxer – har en inneboende tendens att uppnå jämvikt med sin omgivning och gå mot största möjliga grad av oordning. I verkligheten, detta fenomen, kallas entropi och beskrivs i termodynamikens andra lag, är lite mer komplicerat, men låt oss inte oroa oss för det nu. Trots allt, vi vet detta intuitivt:Ploppa en isbit i en drink och låt den vara ifred ett tag; snart, vattenmolekylerna i isbiten har lämnat sin högordnade kristallstruktur och satt sig i en mysig jämvikt, umgås glatt med deras oordnade, vattniga bröder. Detsamma gäller grejer i barnens rum:Lämna saker ifred ett tag utan att städa - du fattar.
Det där isberget som håller på att förångas när vi kastade det i solen tidigare illustrerar ett system som är mycket, mycket långt ifrån jämvikt, men låt oss titta på ett mer vardagligt exempel:en vanlig laserpekare. När du trycker på knappen för att aktivera den röda ljuspunkten som din katt är så galen i, ett inferno bryter loss inuti den lilla enheten.
"När de lasar, elektronerna inuti enheten blir varmare än en temperatur vi kallar 'plus oändlighet, "" säger Shastry. "Om du värmde upp en kastrull med vatten, oavsett hur varmt, även om du förångade det i en miljon grader, det skulle fortfarande inte vara lika varmt som elektronerna i lasern."
Nu, det är viktigt att påpeka att vi pratar om kvantfenomen här - i det här fallet elektrontemperaturen, vilket inte har något att göra med temperaturen på laserljuset och är anledningen till att din laserpekare inte förångas direkt i din hand vid aktivering.
Det kan komma som en överraskning att temperatur och spänning, grundläggande föreställningar som utvecklades under artonhundratalet inom termodynamik och elektrodynamik, har hittills saknat en matematiskt rigorös definition, förutom fallet med en idealiserad jämvikt som faktiskt inte uppstår i naturen. Resultaten av denna studie visar att de två är intrikat kopplade och kan leda till en bättre förståelse av vad det innebär att vara "varm" eller "kall" på subatomär och kvantskala. Kredit:Charles Stafford/Abhay Shastry/UA
Ändå, om du på något sätt kunde röra elektronerna i din laser, det skulle kännas väldigt, väldigt het, Shastry förklarar.
Punkten, enligt de två fysikerna, är att när en laser laserar, det är väldigt långt ifrån jämvikt, mycket mer än, säga, väderfenomen. Till skillnad från vädret, som till stor del drivs av termiska skillnader, system som halvledare och elektroniska enheter drivs elektriskt, som kan pressa sina komponenter – i det här fallet, elektroner - mycket längre från jämvikt än värme.
Under den aktuella vyn, fysiker skulle säga att det inte går att mäta temperaturen i en sådan enhet som är långt ifrån jämvikt. Staffords och Shastrys resultat säger, ja, det kan göras, men det väcker en annan fråga:Varför skulle man vilja det?
"Nuvarande mikroelektronikteknologi är begränsad av det faktum att enheterna avleder mycket värme, och de blir mindre och mindre, " säger Stafford. "När de blir mindre, de leder bort mer värme, så detta skapar ett stort problem för att utveckla tekniken.
"Eftersom vi visar att det är möjligt att definiera temperaturer och spänningar även på subatomär skala, och definiera det noggrant, man kan hoppas på att göra enheter som är integrerade på ett sådant sätt att man kan ha lokal kylning av bara en punkt på enheten där den ena transistorn sitter som blir riktigt varm, istället för att kyla hela chipset. För närvarande, det finns inget sätt att göra något sådant."
Stafford och Shastry undersöker för närvarande ett möjligt samarbete med Pramod Reddy, en kollega vid University of Michigan vars labb har satt rekord i att skapa en termometer som kan sondera temperaturen över ett fåtal atomer, att utsätta sina resultat för experimentell studie.
Ett annat exempel som arbetet kan gälla är kärnmagnetisk resonans, en teknik som rutinmässigt används inom medicinsk bildbehandling.
"Någon som har upplevt att kanske inte insett atomkärnorna i sin kropp försattes i ett tillstånd av absolut negativ temperatur, som är hetare än något annat i universum, men så är fallet, " säger Stafford.
"Vår teori är väldigt generell. Den gäller många saker, från kvarg-gluonplasma genererade i partikelacceleratorer till laserpekare till neutronstjärnor, " säger Shastry. "De följer alla exakt samma formalism."
Som en biprodukt av denna forskning, Shastry och Stafford ger det första beviset på en version av termodynamikens andra lag formulerad 1931 av den norske kemisten Lars Onsager, som särskilt gäller termoelektriska processer, en bedrift som hade gäckat fysikgemenskapen i 85 år.
"Den andra lagen för termodynamiken är den mest allmänna av inte bara fysikens lagar, men alla naturlagar, ", säger Stafford. "Och det finns många utövare inom det här kvantfysikområdet som föreslår att den andra lagen inte gäller system som är i ett tillstånd som är långt ifrån jämvikt, men vi visar att det gör det."
Som det visar sig, allt måste respektera den andra lagen. Inklusive ett barnrum.
