Absoliutus nulis: apibrėžimas, kvantinė nulinė energija ir rekordai

Sužinokite, kas yra absoliutus nulis, kvantinė nulinė energija ir rekordai: Heizenbergo principas, eksperimentai, rekordiniai 100 pK pasiekimai ir šaltoji fizika.

Absoliutus nulis — tai temperatūra, prie kurios termodinaminė sistema pasiekia minimalų galimą energijos lygį. Kitaip nei paplitusi intuicija sako, tai nereiškia, kad visiškai dingsta kiekviena energijos forma ir dalelės „visiškai sustoja“. Kvantinėje fizikoje egzistuoja nulinio taško energija, todėl net esant artimam 0 K sistemos dalelės turi likutinę kvantinę judėjimo energiją.

Kalbant konkrečiau, medžiagos dalelių (molekulių ir atomų) terminė kinetinė energija mažėja su temperatūros mažėjimu, bet Heisenbergo neapibrėžtumo principas riboja vienu metu tikslaus dalelės padėties ir impulsų žinojimą. Šią idėją originaliame tekste žymi Heizenbergo neapibrėžtumo principo, nurodyta priežastis — dėl to dalelės negali turėti vienu metu identiškai nulinio impulso ir žinomos padėties, o tai lemia likutinį kvantinį judesį (nulio taško svyravimus).

Ką reiškia „artimas absoliučiam nuliui“ ir kaip jis pasiekiamas

Laboratorijoje pasiekiamos temperatūros gali būti milijardus kartų mažesnės už kambario temperatūrą. Tyrėjai taiko kelis aušinimo metodus:

• Aušinimas lazeriais — lazerius, kurie sulėtina atomus ir taip mažina jų kinetinę energiją (Doplerio aušinimas, rindžių aušinimas).
• Evaporacinis aušinimas — šiltesni dalelės pašalinamos iš dujų, todėl likusių vidutinė energija sumažėja (naudojama Bose–Einstein konsensatų kūrime).
• Simpatinis aušinimas — aušinama viena dalelių rūšis per šaldomas kitas daleles.
• Adiabatinė demagnetizacija ir kriogenikos įrenginiai (pvz., dilucijos šaldytuvai) naudojami labai žemoms temperatūroms pasiekti nuo kelvinais iki milikelvinais.

Eksperimentuose pasiektos temperatūros siekia nanokelvinus (nK) ir net pikokelvinus (pK). Viename iš praneštų rekordinio artumo absoliučiam nuliui atvejų nurodoma apie ~100 pK (šimtas pikokelvinų, lygus 10-10 kelvinų) virš absoliutaus nulio. Reikėtų pažymėti, kad skirtingi eksperimentai matuoja skirtingas temperatūros „laipsnio laisves“ (pvz., judesio, spinų ar kitų laipsnių), todėl „rekordinė“ vertė priklauso nuo to, ką būtent matuojama.

Kvantinė nulinė energija ir medžiagos savybės prie 0 K

Net esant labai žemai temperatūrai, kai terminė judėjimo dalis yra sumažinta, kvantinė nulio taško energija reiškia, kad atomai ir kiti kvantiniai laukai turi likutinį svyravimą. Tai lemia tokius reiškinius kaip:

• nulio taško judėjimas atominiame lygmenyje;
• Casimir efektas (kvantinių lauko svyravimų pasekmė tarp arti stovinčių plokščių);
• tam tikrų medžiagų perėjimas į superlaidumo būseną žemose temperatūrose — tačiau ne visos medžiagos tampa superlaidžios: superlaidumo atsiradimas priklauso nuo medžiagos ir turi kritinę temperatūrą, žemesnę už kurią pasireiškia beveik nulė varža.

Reikia pažymėti, kad artėjant prie 0 K medžiagos elektrinės savybės gali keistis labai įvairiai: kai kurios medžiagos tampa superlaidžios (praktikoje – tik žemiau tam tikros kritinės temperatūros), kitos gali likti normalios arba pereiti į izoliavimo būsenas. Todėl teiginys „Kuo objekto temperatūra arčiau absoliutaus nulio, tuo mažesnė medžiagos varža“ nėra bendro pobūdžio taisyklė visoms medžiagoms.

Termodinamikos apribojimai

Tekste minima termodinamika: Trečiasistermodinamikos dėsnis nurodo dvi susijusias idėjas:

• entropija T→0 ribojasi į tam tikrą konstantą (idealiu atveju tobulam kristalui ši konstanta bus nulis);
• neįmanoma pasiekti absoliučiai 0 K per galutinį skaičių izoliuotų termodinaminių procesų (tai vadinama neatainiamumo principu) — kitaip tariant, absoliutaus nulio pasiekimas praktiškai neįmanomas.

Taip pat svarbu teisingai suprasti Antrasis termodinamikos dėsnis. Vienas iš antrojo dėsnio padarinių yra ir termodinaminių variklių ribojimas: idealios (Carnot) ciklo naudingumo formulė yra

η = 1 − T_c / T_h,

kur T_h — karštosios terpės temperatūra (absoliučiais kelvinais), o T_c — šalčiosios terpės temperatūra. Pagal šią formulę 100 % efektyvumas (η = 1) būtų įmanomas tik, jei T_c = 0 K, tačiau absoliutus nulis nepasiekiamas realiose sąlygose, todėl idealus 100 % efektyvumas taip pat nepasiekiamas.

Keli praktiniai pastebėjimai

• Absoliutus nulis nereiškia „visiško sustojimo“ kvantiniu lygmeniu — lieka nulio taško svyravimai.
• Įrenginiai, kuriuos aušiname, visada bendrauja su aplinka — net menkas šilumos srautas ar liečiamumas greitai pakels objektą temperatūroje, o tai apsunkina pasiekimus arti 0 K.
• Rekordinės ekstremaliai žemos temperatūros vertės paprastai nurodo tam tikrą laipsnio laisvę (pvz., judesio temperatūra arba spinų temperatūra) ir jas reikia interpretuoti atsižvelgiant į eksperimentinę sąranką.

Santrauka: absoliutus nulis (0 K, 0 °R arba −273,15 °C (−459,67 °F)) yra teorinė ribinė temperatūra, prie kurios terminė energija yra mažiausia. Tačiau kvantinė fizika užtikrina likutinę nulio taško energiją, todėl visiškai „sustabdyti“ dalelių neįmanoma. Praktiniai bandymai artėti prie šios ribos reikalauja specialių aušinimo metodų ir visada susiduria su termodinaminiais apribojimais.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra absoliutus nulis?

K: Ar absoliutus nulis reiškia, kad dalelės praranda visą energiją ir nustoja judėti?

K: Koks temperatūros rekordas pasiektas arti absoliutaus nulio?

K: Kaip mokslininkai atšaldo objektus iki labai žemos temperatūros?

K: Kaip Celsijaus ir Farenheito skalės apibrėžtos absoliutaus nulio atžvilgiu?

K: Ką trečiasis termodinamikos dėsnis sako apie absoliutų nulį?

K: Kaip galima padidinti variklio naudingumo koeficientą iki 100 %?

Paieška pagal raidę