Absolútna nula: čo je 0 K, energia nulového bodu a rekordné ochladenia

Objavte absolútnu nulu (0 K): čo je energia nulového bodu, prečo častice nikdy nezastavia úplne a ako vedci dosiahli rekordné ochladenia až na 100 pK.

Absolútna nula je teplota, pri ktorej majú častice hmoty (molekuly a atómy) najnižšiu možnú vnútornú energiu. Neznamená to však, že by všetka energia úplne zmizla a častice prestali existovať v akejkoľvek pohybovej forme. V kvantovej fyzike existuje energia nulového bodu – aj v najnižšom možnom stave majú kvantové systémy určitú nepodmienenú (nulovú bodovú) energiu. Táto skutočnosť je dôsledkom Heisenbergovho princípu neurčitosti, ktorý hovorí, že nie je možné súčasne presne určiť polohu a hybnosť častice; úplné „zastavenie“ častice by tieto dve veličiny vynieslo do nemožného stavu.

Prečo nie je možné dosiahnuť presne 0 K

Tretí termodynamický zákon vyjadruje, že absolutná nula je nedosiahnuteľná v konečnom počte krokov alebo pri konečných operáciách. To prakticky znamená, že aj keď možno teplotu znížiť arbitrárne blízko k 0 K, presne dosiahnuť 0 K nemožno. Okrem fundamentálnych kvantových dôvodov tu zohrávajú úlohu aj praktické obmedzenia – tepelná výmena aj s veľmi chladným okolím, kvarenie tepelných tokov a kolízie s nežiadanými časticami prostredia.

Energia nulového bodu a kvantové efekty pri nízkych teplotách

Aj pri extrémne nízkych teplotách pretrvávajú kvantové javy: častice obsadzujú svoj fundamentálny (najrôznejší) kvantový stav a prejavujú sa kolektívne javy, akými sú Boseho–Einsteinov kondenzát, superfluidita alebo supravodivosť. Tieto javy sú dôsledkom koherentného kvantového správania veľkého počtu častíc pri veľmi nízkych teplotách a nie sú univerzálne pre všetky materiály (supravodivosť napríklad nastáva len pod kritickou teplotou konkrétneho materiálu).

Rekordné ochladenia a ako ich dosahujeme

Laboratórne sa dosiahli teploty extrémne blízke absolútnej nule; jedným z udávaných rekordov je približne 100 pK (sto pikokelvinov, čo je 10−10 kelvinov) nad 0 K. Takéto hodnoty sa dosahujú v špeciálnych pasivačných a aktívnych zariadeniach s extrémne dobrým vákuom a s použitím viacerých stupňov ochladzovania. Medzi bežné metódy patrí:

• Laserové ochladzovanie – použitie laserov na spomalenie atómov (Dopplerovo ochladzovanie, sub-Doppler techniky),
• Magneto-optické pasce (MOT) – kombinácia magnetického poľa a laserov na zachytenie a ďalšie ochladzovanie atómov,
• Evaporačné ochladzovanie – odstránenie najenergetickejších častíc z pasce, čím sa zvyšuje relatívny príspevok nízkoenergetických častíc a znižuje sa teplota zvyšku,
• Adiabaticzne demagnetizačné ochladzovanie – využitie zmeny magnetickej entropie v materiáloch pri demagnetizácii,
• Optické a magnetické pasce a veľmi nízke tlaky nárazových plynov, čím sa znižuje rušenie a ohrievanie zo zrážok.

Pri týchto experimentoch sú limitermi napríklad čierne teleso žiarenie okolia, zrážky s pozostatkovými plynovými molekulami, technické šumy a obmedzenia presnosti merania. Merania teploty v takýchto režimoch sa často vykonávajú pomocou časovo-of-fly meraní, absorpčných/imaginových techník a spektroskopických metód.

Mýty a nepresnosti

Niektoré z originálne uvedených tvrdení si vyžadujú spresnenie:

• Výrok „V tejto fáze je tlak častíc nulový“ platí len pre ideálny plyn pri 0 K v teoretickom limite; v reálnych telesách (pevné látky, kvapaliny) stále existujú vnútorné väzby a tlak/napätie nie sú nutne nulové.
• Myšlienka, že častice „nemôžu sa pohybovať ani 'opačne'“ je nepresná. Kvantová pohyblivosť (nulové bodové fluktuácie) aj pri najnižšej energii zostáva; nemá zmysel hovoriť o „opačnom vibrovaní“ ako o samostatnom mechanizme, pohyb je kvantový a určený stavmi systému.
• Nie všetky materiály pri ochladzovaní stávajú sa dokonale vodičmi elektriny. Nulový elektrický odpor nastáva u supravodičov pod ich špecifickou kritickou teplotou, nie u všetkých látok pri priblížení k 0 K.

Termodynamické zákony a účinnosť tepelných strojov

Tretí termodynamický zákon okrem iného formuluje aj princíp nedosiahnuteľnosti absolútnej nuly. Druhý termodynamický zákon vysvetľuje obmedzenia účinnosti tepelných motorov: pre ideálny Carnotov cyklus je maximálna účinnosť 1 − Tc/Th (kde Th je teplota zdroja a Tc teplota chladiča, obe v kelvinoch). Aby bola účinnosť 100 %, muselo by byť Tc = 0 K, čo je nemožné, takže stopercentná účinnosť tepelného stroja nie je dosiahnuteľná.

Praktické a technologické dôsledky

Štúdium ultra-nízkych teplôt prinieslo množstvo technológií a objavov: supravodivé magnety (MRI, urýchľovače častíc), kvantové simulátory a kvantové počítače, pre štúdium kvantovej koherencie a kollektívnych kvantových fáz. Pokrok v ochladzovacích technikách tiež umožňuje presnejšie merania základných fyzikálnych konštánt a testy kvantovej mechaniky v makroskopickej oblasti.

V skratke: absolútna nula je teoretický limit, ku ktorému sa možno priblížiť veľmi blízko, no kvantové zákony a praktické obmedzenia bránia tomu, aby sme ju presne dosiahli. Napriek tomu sú ultra-nízke teploty zdrojom bohatých fyzikálnych javov a dôležitých technologických aplikácií.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je absolútna nula?

Otázka: Znamená absolútna nula, že častice stratia všetku energiu a prestanú sa pohybovať?

Otázka: Aká rekordná teplota bola dosiahnutá v blízkosti absolútnej nuly?

Otázka: Ako vedci ochladzujú objekty na veľmi nízke teploty?

Otázka: Ako sú definované stupnice Celzia a Fahrenheita vzhľadom na absolútnu nulu?

Otázka: Čo hovorí tretí termodynamický zákon o absolútnej nule?

Otázka: Ako možno zvýšiť účinnosť motora bližšie k 100 %?

Hľadajte podľa písmena