Co je absolutní nula ve vědě?

Absolutní nula je definována jako bod, kde již nic není teplo mohou být odstraněny ze systému, podle absolutní nebo termodynamická teplotní stupnice. To odpovídá nule Kelvinenebo mínus 273,15 ° C Toto je nula na Rankinově stupnici a minus 459,67 F.

Klasická kinetická teorie předpokládá, že absolutní nula představuje nepřítomnost pohybu jednotlivých molekul. Experimentální důkazy však ukazují, že tomu tak není: Spíše to znamená, že částice v absolutní nule mají minimální vibrační pohyb. Jinými slovy, zatímco teplo nemůže být odebráno ze systému v absolutní nule, absolutní nula nepředstavuje nejnižší možný stav entalpie.

V kvantové mechanice absolutní nula představuje nejnižší vnitřní energii pevné hmoty v jejím základním stavu.

Teplota se používá k popisu toho, jak horký nebo chladný je předmět. Teplota objektu závisí na rychlosti, jakou jeho atomy a molekuly oscilují. I když absolutní nula představuje oscilace při jejich nejpomalejší rychlosti, jejich pohyb se nikdy úplně nezastaví.

Dosud není možné dosáhnout absolutní nuly - i když k tomu vědci přistoupili. Národní ústav pro standardy a technologie (NIST) dosáhl v roce 1994 rekordní chladné teploty 700 nK (miliardtiny kelvinu). Vědci z Massachusetts Institute of Technology nastavili v roce 2003 nový rekord 0,45 nK.

Fyzici ukázali, že je možné mít negativní Kelvinovu (nebo Rankinovu) teplotu. To však neznamená, že částice jsou chladnější než absolutní nula; spíše je to známka toho, že se energie snížila.

Důvodem je, že teplota je a termodynamický množství související s energií a entropií. Jakmile se systém přiblíží k maximální energii, začne se jeho energie snižovat. Toto nastane jen za zvláštních okolností, jako v kvazi-rovnovážných stavech, ve kterých rotace není rovnováha s elektromagnetickým polem. Taková aktivita však může vést k negativní teplotě, i když je přidána energie.

Je zvláštní, že systém s negativní teplotou může být považován za teplejší než systém s pozitivní teplotou. Důvodem je, že teplo je definováno podle směru, ve kterém proudí. Normálně ve světě s pozitivní teplotou proudí teplo z teplejšího místa, jako je horký sporák, do chladnějšího místa, jako je místnost. Teplo by teklo z negativního systému do pozitivního systému.

3. ledna 2013 vědci vytvořili kvantový plyn skládající se z draslík atomy, které měly negativní teplotu z hlediska stupňů volnosti pohybu. Před tím v roce 2011 Wolfgang Ketterle, Patrick Medley a jejich tým demonstrovali možnost negativní absolutní teploty v magnetickém systému.

Nový výzkum negativních teplot odhaluje další tajemné chování. Například Achim Rosch, teoretický fyzik na kolínské univerzitě v Německu, vypočítal tyto atomy při záporné absolutní teplotě v gravitační pole se může pohybovat „nahoru“ a ne jen „dolů“. Subzerový plyn může napodobovat temnou energii, která nutí vesmír expandovat rychleji a rychleji proti dovnitř gravitační tah.

Merali, Zeeya. "Kvantový plyn klesne pod absolutní nulu." Příroda, Březen 2013. doi: 10,1038 / příroda.2013.12146.

Medley, Patrick, et al. "Spin Gradient Demagnetization Chlazení ultracold atomů." Physical Review Letters, sv. 106, ne. 19. května 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.