Τι είναι το απόλυτο μηδέν στην επιστήμη;

Το απόλυτο μηδέν ορίζεται ως το σημείο όπου δεν υπάρχουν άλλα θερμότητα μπορεί να αφαιρεθεί από ένα σύστημα, σύμφωνα με το απόλυτος ή θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασίας. Αυτό αντιστοιχεί στο μηδέν Κέλβιν, ή μείον 273,15 C. Αυτό είναι μηδέν στην κλίμακα Rankine και μείον 459.67 F.

Η κλασική κινητική θεωρία υποδηλώνει ότι το απόλυτο μηδέν αντιπροσωπεύει την απουσία κίνησης μεμονωμένων μορίων. Ωστόσο, πειραματικά στοιχεία δείχνουν ότι δεν συμβαίνει αυτό: Αντίθετα, δείχνει ότι τα σωματίδια στο απόλυτο μηδέν έχουν ελάχιστη δόνηση. Με άλλα λόγια, ενώ η θερμότητα μπορεί να μην αφαιρεθεί από ένα σύστημα στο απόλυτο μηδέν, το απόλυτο μηδέν δεν αντιπροσωπεύει τη χαμηλότερη δυνατή κατάσταση ενθαλπίας.

Στην κβαντική μηχανική, το απόλυτο μηδέν αντιπροσωπεύει τη χαμηλότερη εσωτερική ενέργεια της στερεάς ύλης στην αρχική της κατάσταση.

Θερμοκρασία χρησιμοποιείται για να περιγράψει πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα αντικείμενο. Η θερμοκρασία ενός αντικειμένου εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία τα άτομα και τα μόρια του ταλαντεύονται. Αν και το απόλυτο μηδέν αντιπροσωπεύει ταλαντώσεις με τη χαμηλότερη ταχύτητα, η κίνηση τους δεν σταματά εντελώς.

Δεν είναι δυνατόν, μέχρι στιγμής, να φθάσουμε στο απόλυτο μηδέν-αν και οι επιστήμονες το έχουν προσεγγίσει. Το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) πέτυχε ρεκόρ ψυχρής θερμοκρασίας 700 nK (δισεκατομμυριοστό του Kelvin) το 1994. Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης έθεσαν ένα νέο ρεκόρ 0,45 ν.τ. το 2003.

Οι φυσικοί έχουν δείξει ότι είναι δυνατόν να υπάρξει αρνητική θερμοκρασία Kelvin (ή Rankine). Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι τα σωματίδια είναι ψυχρότερα από το απόλυτο μηδέν. μάλλον, είναι μια ένδειξη ότι η ενέργεια έχει μειωθεί.

Αυτό οφείλεται στο ότι η θερμοκρασία είναι α θερμοδυναμικός ποσότητα που σχετίζεται με την ενέργεια και την εντροπία. Καθώς το σύστημα προσεγγίζει τη μέγιστη ενέργεια του, η ενέργεια του αρχίζει να μειώνεται. Αυτό συμβαίνει μόνο υπό ειδικές συνθήκες, όπως στις καταστάσεις οιονεί ισορροπίας στις οποίες δεν υπάρχει περιστροφή ισορροπία με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Αλλά μια τέτοια δραστηριότητα μπορεί να οδηγήσει σε αρνητική θερμοκρασία, ακόμη και αν προστεθεί ενέργεια.

Παραδόξως, ένα σύστημα σε αρνητική θερμοκρασία μπορεί να θεωρηθεί θερμότερο από το ένα σε θετική θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμότητα ορίζεται σύμφωνα με την κατεύθυνση στην οποία ρέει. Κανονικά, σε έναν κόσμο θετικής θερμοκρασίας, η θερμότητα ρέει από ένα θερμότερο σημείο, όπως μια θερμή σόμπα σε ένα πιο δροσερό μέρος, όπως ένα δωμάτιο. Η θερμότητα θα ρέει από ένα αρνητικό σύστημα σε ένα θετικό σύστημα.

Στις 3 Ιανουαρίου 2013, οι επιστήμονες σχημάτισαν ένα κβαντικό αέριο αποτελούμενο από κάλιο άτομα που είχαν αρνητική θερμοκρασία από άποψη βαθμών κίνησης ελευθερίας. Πριν από αυτό, το 2011, ο Wolfgang Ketterle, ο Patrick Medley και η ομάδα τους κατέδειξαν τη δυνατότητα αρνητικής απόλυτης θερμοκρασίας σε ένα μαγνητικό σύστημα.

Νέα έρευνα σε αρνητικές θερμοκρασίες αποκαλύπτει επιπλέον μυστηριώδη συμπεριφορά. Για παράδειγμα, ο Achim Rosch, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Κολωνίας, στη Γερμανία, έχει υπολογίσει ότι τα άτομα σε αρνητική απόλυτη θερμοκρασία σε μια το πεδίο βαρύτητας μπορεί να κινηθεί "επάνω" και όχι μόνο "κάτω". Το αέριο Subzero μπορεί να μιμείται τη σκοτεινή ενέργεια, η οποία αναγκάζει το σύμπαν να επεκταθεί γρηγορότερα και πιο γρήγορα ενάντια στο εσωτερικό βαρυτική έλξη.

Merali, Zeeya. "Το Quantum Gas Goes Below Absolute Zero." Φύση, Mar. 2013. doi: 10.1038 / φύση.2013.12146.

Medley, Patrick, et αϊ. "Span Gradient Demagnetization Ψύξη των ατμών Ultracold." Physical Review Letters, νοΙ. 106, αρ. 19, Μαΐου 2011. αι.