Czym jest absolutna zero w nauce?

Zero absolutne definiuje się jako punkt, w którym nie ma już więcej ciepło można usunąć z systemu, zgodnie z absolutny lub termodynamiczna skala temperatury. To odpowiada zero kelwinlub minus 273,15 C. Jest to zero w skali Rankine'a i minus 459,67 F.

Klasyczna teoria kinetyczna zakłada, że ​​zero absolutne oznacza brak ruchu poszczególnych cząsteczek. Jednak dowody eksperymentalne pokazują, że tak nie jest: wskazuje raczej, że cząstki przy absolutnym zeru mają minimalny ruch wibracyjny. Innymi słowy, podczas gdy ciepło nie może być usuwane z układu przy absolutnym zeru, absolutne zero nie reprezentuje najniższego możliwego stanu entalpii.

W mechanice kwantowej zero absolutne reprezentuje najniższą energię wewnętrzną materii stałej w jej stanie podstawowym.

Temperatura służy do opisania, jak gorący lub zimny jest obiekt. Temperatura przedmiotu zależy od prędkości, z jaką oscylują jego atomy i cząsteczki. Chociaż zero bezwzględne reprezentuje oscylacje przy ich najniższej prędkości, ich ruch nigdy nie zatrzymuje się całkowicie.

Jak dotąd nie jest możliwe osiągnięcie absolutnego zera - choć naukowcy się do niego zbliżyli. National Institute of Standards and Technology (NIST) osiągnął rekordową temperaturę 700 nK (miliardowe części Kelvina) w 1994 roku. Badacze z Massachusetts Institute of Technology ustanowili nowy rekord 0,45 nK w 2003 roku.

Fizycy wykazali, że istnieje możliwość ujemnej temperatury Kelvina (lub Rankine'a). Nie oznacza to jednak, że cząstki są zimniejsze niż zero absolutne; raczej wskazuje na to, że energia spadła.

Jest tak, ponieważ temperatura wynosi termodynamiczny ilość związana z energią i entropią. Gdy system zbliża się do maksymalnej energii, jej energia zaczyna spadać. Dzieje się tak tylko w szczególnych okolicznościach, jak w stanach quasi-równowagi, w których spin nie występuje równowaga z polem elektromagnetycznym. Ale taka aktywność może prowadzić do ujemnej temperatury, nawet jeśli dodaje się energię.

O dziwo, układ o ujemnej temperaturze można uznać za gorętszy niż układ o dodatniej temperaturze. Jest tak, ponieważ ciepło jest definiowane zgodnie z kierunkiem, w którym płynie. Zwykle w świecie o dodatniej temperaturze ciepło przepływa z cieplejszego miejsca, takiego jak gorący piec, do chłodniejszego miejsca, takiego jak pokój. Ciepło przepłynęłoby z układu ujemnego do układu dodatniego.

3 stycznia 2013 r. Naukowcy utworzyli gaz kwantowy składający się z potas atomy, które miały ujemną temperaturę pod względem stopnia swobody ruchu. Wcześniej w 2011 r. Wolfgang Ketterle, Patrick Medley i ich zespół wykazali możliwość ujemnej temperatury absolutnej w układzie magnetycznym.

Nowe badania temperatur ujemnych ujawniają dodatkowe tajemnicze zachowanie. Na przykład Achim Rosch, fizyk teoretyczny na uniwersytecie w Kolonii w Niemczech, obliczył, że atomy mają ujemną bezwzględną temperaturę w pole grawitacyjne może poruszać się „w górę”, a nie tylko „w dół”. Subzero gaz może naśladować ciemną energię, która zmusza wszechświat do rozszerzania się coraz szybciej w kierunku do wewnątrz przyciąganie grawitacyjne.

Merali, Zeeya. „Gaz kwantowy spada poniżej zera absolutnego”. Natura, Mar. 2013. doi: 10.1038 / nature.2013.12146.

Medley, Patrick i in. "Spin Gradientowe rozmagnesowanie Chłodzenie ultraciężkich atomów." Physical Review Letters, vol. 106, nr 19 maja 2011 r. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.