Kas zinātnē ir absolūtā nulle?

REKINC1980 / Getty Images

Absolūtā nulle tiek definēta kā punkts, kurā vairs nav karstums var noņemt no sistēmas, saskaņā ar absolūts vai termodinamiskā temperatūras skala. Tas atbilst nullei Kelvins jeb mīnus 273,15 C. Tas ir nulle pēc Rankine skalas un mīnus 459,67 F.

Klasiskā kinētiskā teorija apgalvo, ka absolūtā nulle apzīmē atsevišķu molekulu kustības neesamību. Tomēr eksperimentālie pierādījumi liecina, ka tas tā nav: drīzāk tas norāda, ka daļiņām pie absolūtās nulles ir minimāla vibrācijas kustība. Citiem vārdiem sakot, lai gan siltumu nevar noņemt no sistēmas pie absolūtās nulles, absolūtā nulle neatspoguļo zemāko iespējamo entalpijas stāvokli.

Kvantu mehānikā absolūtā nulle apzīmē zemāko cietās vielas iekšējo enerģiju tās pamatstāvoklī.

Absolūtā nulle un temperatūra

Temperatūra izmanto, lai aprakstītu, cik karsts vai auksts ir objekts. Objekta temperatūra ir atkarīga no ātruma, ar kādu tā atomi un molekulas svārstās. Lai gan absolūtā nulle apzīmē svārstības to lēnākajā ātrumā, to kustība nekad pilnībā neapstājas.

Vai ir iespējams sasniegt absolūto nulli

Līdz šim nav iespējams sasniegt absolūto nulli, lai gan zinātnieki ir pietuvojušies tam. Nacionālais standartu un tehnoloģiju institūts (NIST) 1994. gadā sasniedza rekordaugstu aukstuma temperatūru 700 nK (miljardās kelvina daļas). Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta pētnieki uzstādīja jaunu rekordu 0,45 nK 2003. gadā.

Negatīvās temperatūras

Fiziķi ir pierādījuši, ka ir iespējama negatīva Kelvina (vai Rankine) temperatūra. Tomēr tas nenozīmē, ka daļiņas ir aukstākas par absolūto nulli; drīzāk tas liecina, ka enerģija ir samazinājusies.

Tas ir tāpēc, ka temperatūra ir a termodinamiskā daudzums, kas attiecas uz enerģiju un entropiju. Kad sistēma tuvojas savai maksimālajai enerģijai, tās enerģija sāk samazināties. Tas notiek tikai īpašos apstākļos, piemēram, kvazilīdzsvara stāvokļos, kuros nav spina līdzsvars ar elektromagnētisko lauku. Bet šāda darbība var izraisīt negatīvu temperatūru, lai gan tiek pievienota enerģija.

Savādi, ka sistēma ar negatīvu temperatūru var tikt uzskatīta par karstāku nekā sistēma ar pozitīvu temperatūru. Tas ir tāpēc, ka siltumu nosaka atkarībā no virziena, kurā tas plūst. Parasti pozitīvas temperatūras pasaulē siltums plūst no siltākas vietas, piemēram, karstas plīts, uz vēsāku vietu, piemēram, istabu. Siltums plūstu no negatīvas sistēmas uz pozitīvu sistēmu.

2013. gada 3. janvārī zinātnieki izveidoja kvantu gāzi, kas sastāv no kālijs atomi, kuriem bija negatīva temperatūra kustības brīvības pakāpju izteiksmē. Pirms tam, 2011. gadā, Volfgangs Keterls, Patriks Medlijs un viņu komanda demonstrēja negatīvas absolūtās temperatūras iespējamību magnētiskajā sistēmā.

Jauni pētījumi par negatīvām temperatūrām atklāj papildu noslēpumainu uzvedību. Piemēram, Ķelnes Universitātes Vācijā teorētiskais fiziķis Ahims Ross ir aprēķinājis, ka atomi pie negatīvas absolūtās temperatūras gravitācijas laukā var pārvietoties “augšup”, nevis tikai “lejup”. Zem nulles līmeņa gāze var atdarināt tumšo enerģiju, kas liek Visumam izplesties arvien ātrāk pret iekšējo gravitācijas pievilkšanu.

Avoti

Merali, Zeija. Kvantu gāze ir zemāka par absolūto nulli. Daba , Mar. 2013. doi:10.1038/daba.2013.12146.

Medlijs, Patriks u.c. ' Ultraauksto atomu griešanās gradienta demagnetizācijas dzesēšana .' Physical Review Letters, sēj. 106, Nr. 2011. gada 19. maijs. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.