Čo je absolútna nula vo vede?

REKINC1980 / Getty Images

Absolútna nula je definovaná ako bod, kde už nie je teplo možno odstrániť zo systému podľa absolútne alebo termodynamická teplotná stupnica. To zodpovedá nule Kelvin , alebo mínus 273,15 C. To je nula na Rankinovej stupnici a mínus 459,67 F.

Klasická kinetická teória predpokladá, že absolútna nula predstavuje absenciu pohybu jednotlivých molekúl. Experimentálne dôkazy však ukazujú, že to tak nie je: skôr to naznačuje, že častice v absolútnej nule majú minimálny vibračný pohyb. Inými slovami, zatiaľ čo pri absolútnej nule nemožno zo systému odoberať teplo, absolútna nula nepredstavuje najnižší možný stav entalpie.

V kvantovej mechanike predstavuje absolútna nula najnižšiu vnútornú energiu pevnej hmoty v jej základnom stave.

Absolútna nula a teplota

Teplota sa používa na opis toho, ako horúci alebo studený je predmet. Teplota objektu závisí od rýchlosti, akou jeho atómy a molekuly oscilujú. Hoci absolútna nula predstavuje oscilácie pri ich najnižšej rýchlosti, ich pohyb sa nikdy úplne nezastaví.

Je možné dosiahnuť absolútnu nulu

Zatiaľ nie je možné dosiahnuť absolútnu nulu – hoci vedci sa k nej priblížili. Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST) dosiahol rekordnú chladnú teplotu 700 nK (miliardtiny kelvina) v roku 1994. Výskumníci z Massachusettského technologického inštitútu dosiahli v roku 2003 nový rekord 0,45 nK.

Záporné teploty

Fyzici ukázali, že je možné mať negatívnu Kelvinovu (alebo Rankinovu) teplotu. To však neznamená, že častice sú chladnejšie ako absolútna nula; skôr je to náznak toho, že energia sa znížila.

Je to preto, že teplota je a termodynamické množstvo súvisiace s energiou a entropiou. Keď sa systém priblíži k maximálnej energii, jeho energia začne klesať. K tomu dochádza len za zvláštnych okolností, napríklad v kvázi rovnovážnych stavoch, v ktorých nie je spin rovnováha s elektromagnetickým poľom. Takáto činnosť však môže viesť k negatívnej teplote, aj keď sa pridáva energia.

Zvláštne je, že systém pri zápornej teplote možno považovať za teplejší ako systém pri kladnej teplote. Teplo je totiž definované podľa smeru, ktorým prúdi. Normálne, vo svete s pozitívnou teplotou, teplo prúdi z teplejšieho miesta, ako sú horúce kachle, do chladnejšieho miesta, ako je miestnosť. Teplo by prúdilo z negatívneho systému do pozitívneho systému.

3. januára 2013 vedci vytvorili kvantový plyn pozostávajúci z draslík atómy, ktoré mali zápornú teplotu z hľadiska pohybových stupňov voľnosti. Predtým, v roku 2011, Wolfgang Ketterle, Patrick Medley a ich tím demonštrovali možnosť negatívnej absolútnej teploty v magnetickom systéme.

Nový výskum negatívnych teplôt odhaľuje ďalšie záhadné správanie. Napríklad Achim Rosch, teoretický fyzik na univerzite v Kolíne nad Rýnom v Nemecku, vypočítal, že atómy so zápornou absolútnou teplotou v gravitačnom poli sa môžu pohybovať „nahor“ a nie iba „nadol“. Plyn pod nulou môže napodobňovať tmavú energiu, ktorá núti vesmír expandovať rýchlejšie a rýchlejšie proti vnútornej gravitácii.

Zdroje

Merali, Zeeya. Kvantový plyn klesá pod absolútnu nulu. Príroda , Mar. 2013. doi:10.1038/nature.2013.12146.

Medley, Patrick a kol. ' Spin Gradient Demagnetization Chladenie ultrachladných atómov .' Physical Review Letters, zv. 106, č. 19. mája 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.