Física

Mais quente que o infinito

Ímãs que só apontam para cima ou para baixo: a entropia sobe e depois desce, e a temperatura passa pelo infinito e vira negativa.

Como funciona

Cada seta é um ímã minúsculo num campo magnético que aponta para cima. Alinhado com o campo (azul), ele tem energia baixa; contra o campo (vermelho), energia a mais. Com invertidos entre , a energia é e o número de microestados é

Esse sistema tem uma coisa que um gás não tem: teto de energia. Com todos invertidos, não dá para pôr mais nada. Por isso a curva da entropia sobe, chega ao máximo com metade invertida, e desce de novo — com todos invertidos, só existe um jeito, como com nenhum.

A temperatura é definida pela inclinação dessa curva:

Na metade esquerda, a inclinação é positiva: , como sempre. No meio, a curva é plana: , . E na metade direita, a inclinação é negativa — a temperatura é negativa.

Negativa não é mais fria que zero. É o contrário. A régua embaixo ordena os estados pela grandeza que realmente importa para o fluxo de calor, : do mais frio ao mais quente, , …, , que é o mesmo que , …, . Na vista Encostar num sistema comum, um bloco invertido encosta num bloco de temperatura positiva. As trocas são sorteadas — um ímã invertido e um alinhado, em qualquer dos blocos, trocam de estado — e a energia sempre sai do bloco negativo para o positivo, até as frações invertidas, e portanto as temperaturas, ficarem iguais.

Esses estados não são só conta: com spins nucleares (Purcell e Pound, 1951) e com átomos ultrafrios numa rede óptica (Braun e colaboradores, 2013), já foram produzidos em laboratório. Eles exigem um espectro de energia limitado e uma população invertida — nenhuma xícara de café chega lá.

O episódio

A história completa, com a narração e a matemática escrita por extenso.

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