Što je apsolutna nula u znanosti?

Apsolutna nula definirana je kao točka u kojoj nema više toplina mogu se ukloniti iz sustava, u skladu s apsolutan ili termodinamička temperaturna ljestvica. To odgovara nuli Kelvin, ili minus 273,15 C. To je nula na Rankinovoj skali i minus 459,67 F.

Klasična kinetička teorija kaže da apsolutna nula predstavlja odsutnost kretanja pojedinih molekula. Međutim, eksperimentalni dokazi pokazuju da to nije slučaj: Umjesto toga, ukazuju na to da čestice u apsolutnoj nuli imaju minimalno vibracijsko gibanje. Drugim riječima, dok se toplina ne može ukloniti iz sustava na apsolutnoj nuli, apsolutna nula ne predstavlja najniže moguće stanje entalpije.

U kvantnoj mehanici apsolutna nula predstavlja najnižu unutarnju energiju krute tvari u njenom osnovnom stanju.

Temperatura koristi se za opisivanje koliko je objekt vruć ili hladan. Temperatura objekta ovisi o brzini kojom njegovi atomi i molekule osciliraju. Iako apsolutna nula predstavlja oscilacije na njihovoj najsporijoj brzini, njihovo kretanje nikada se potpuno ne zaustavlja.

Za sada nije moguće dostići apsolutnu nulu - iako su joj znanstvenici pristupili. Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST) postigao je rekordno hladnu temperaturu od 700 nK (milijardu kilograma Kelvina) u 1994. Istraživači Tehnološkog instituta u Massachusettsu postavili su novi rekord od 0,45 nK u 2003. godini.

Fizičari su pokazali da je moguće imati negativnu Kelvinu (ili Rankinu) temperaturu. Međutim, to ne znači da su čestice hladnije od apsolutne nule; to je pokazatelj da se energija smanjila.

To je zato što je temperatura a termodinamičan količina koja se odnosi na energiju i entropiju. Kako se sustav približava svojoj maksimalnoj energiji, njegova energija počinje opadati. To se događa samo u posebnim okolnostima, kao u kvazi ravnotežnim stanjima u kojima spin nije prisutan ravnoteža s elektromagnetskim poljem. Ali takva aktivnost može dovesti do negativne temperature, iako se dodaje energija.

Čudno je da se sustav s negativnom temperaturom može smatrati toplijim od jednog na pozitivnoj temperaturi. To je zbog toga što se toplina definira prema smjeru u kojem teče. U svijetu s pozitivnom temperaturom, toplina teče iz toplijeg, vrućeg peći u hladnije mjesto poput prostorije. Toplina bi tekla iz negativnog u pozitivni sustav.

3. siječnja 2013. znanstvenici su formirali kvantni plin koji se sastojao od kalij atoma koji su imali negativnu temperaturu u smislu stupnjeva gibanja. Prije toga, 2011. godine, Wolfgang Ketterle, Patrick Medley i njihov tim demonstrirali su mogućnost negativne apsolutne temperature u magnetskom sustavu.

Novo istraživanje negativnih temperatura otkriva dodatno tajanstveno ponašanje. Na primjer, Achim Rosch, teorijski fizičar sa Sveučilišta u Kölnu, u Njemačkoj, izračunao je da su atomi pri negativnoj apsolutnoj temperaturi u gravitacijsko polje može se kretati "gore", a ne samo "dolje". Plin Subzero može oponašati tamnu energiju, što prisiljava svemir da se brže i brže širi prema unutra gravitacijsko povlačenje.

Merali, Zeeya. "Kvantni plin ide ispod apsolutne nule." Priroda, Ožuj. 2013. doi: 10.1038 / priroda.2013.12146.

Medley, Patrick i sur. "Spin-Graddient Demagnetization Hlađenje ultrahladnih atoma." Pisma o fizičkom pregledu, knj. 106, br. 19. svibnja 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.