Kas ir absolūtais nulle zinātnē?

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, vai mīnus 273,15 C. Ranina skalā tā ir nulle un mīnus 459,67 F.

Klasiskā kinētiskā teorija norāda, ka absolūtais nulle apzīmē atsevišķu molekulu kustības neesamību. Tomēr eksperimentālie pierādījumi rāda, ka tas tā nav. Drīzāk tas norāda, ka daļiņām ar absolūtu nulli ir minimāla vibrācijas kustība. Citiem vārdiem sakot, kaut arī siltumu no sistēmas nevar noņemt ar absolūto nulli, absolūtais nulle nepārsniedz zemāko iespējamo entalpijas stāvokli.

Kvantu mehānikā absolūtais nulle apzīmē zemāko cietās vielas iekšējo enerģiju tās pamata stāvoklī.

Temperatūra tiek izmantots, lai aprakstītu, cik objekts ir karsts vai auksts. Objekta temperatūra ir atkarīga no ātruma, ar kādu tā atomi un molekulas svārstās. Lai arī absolūtais nulle apzīmē svārstības ar vislēnāko ātrumu, to kustība nekad pilnībā neapstājas.

Pagaidām nav iespējams sasniegt absolūto nulli, lai gan zinātnieki tam ir pietuvojušies. Nacionālais standartu un tehnoloģijas institūts (NIST) 1994. gadā sasniedza rekordlielu aukstu temperatūru - 700 nK (miljardu no kelviniem). Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta pētnieki 2003. gadā uzstādīja jaunu rekordu - 0,45 nK.

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

Tas ir tāpēc, ka temperatūra ir a termodinamiskā daudzums, kas saistīts ar enerģiju un entropiju. Kad sistēma tuvojas maksimālajai enerģijai, tās enerģija sāk samazināties. Tas notiek tikai īpašos apstākļos, piemēram, kvazi līdzsvara stāvokļos, kuros spin neatrodas līdzsvars ar elektromagnētisko lauku. Bet šāda darbība var izraisīt negatīvu temperatūru, kaut arī tiek pievienota enerģija.

Savādi, ka sistēmu negatīvā temperatūrā var uzskatīt par karstāku nekā sistēmu pie pozitīvas temperatūras. Tas ir tāpēc, ka siltumu nosaka atkarībā no tā, kādā virzienā tas plūst. Parasti pozitīvas temperatūras pasaulē siltums plūst no siltākas vietas, piemēram, karstas plīts, uz vēsāku vietu, piemēram, telpu. Siltums plūst no negatīvas sistēmas uz pozitīvu.

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

Jauni negatīvas temperatūras pētījumi atklāj papildu noslēpumainu izturēšanos. Piemēram, Achim Rosch, teorētiskais fiziķis Ķelnes Universitātē, Vācijā, ir aprēķinājis, ka atomi negatīvā absolūtā temperatūrā gravitācijas lauks varētu pārvietoties "uz augšu", nevis tikai uz "leju". Subzero gāze var imitēt tumšo enerģiju, kas liek Visumam ātrāk un ātrāk izplesties pret iekšu gravitācijas vilkme.

Merali, Zeija. “Kvantu gāze nonāk zem absolūtas nulles.” Daba, Marts 2013. doi: 10.1038 / daba.2013.12146.

Medley, Patrick, et al. "Spin gradienta demagnetizācijas ultradzesēto atomu atdzesēšana." Fiziskās apskates vēstules, sēj. 106, nē. 2011. gada 19. maijs. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.