מהו אפס מוחלט במדע?

אפס מוחלט מוגדר כנקודה בה לא יותר חום ניתן להסיר מהמערכת, על פי מוחלט או סולם טמפרטורה תרמודינמית. זה תואם לאפס קלווין, מינוס 273.15 צ. זה אפס בסולם Rankine ומינוס 459.67 F.

התיאוריה הקינטית הקלאסית מעלה כי אפס מוחלט מייצג את היעדר התנועה של מולקולות אינדיבידואליות. עם זאת, עדויות ניסיוניות מראות שזה לא המקרה: אלא זה מצביע על כך שחלקיקים באפס מוחלט הם בעלי תנועה רעידה מינימלית. במילים אחרות, בעוד שלא ניתן להוציא חום ממערכת באפס מוחלט, אפס מוחלט אינו מייצג את מצב האנטלפיה הנמוך ביותר האפשרי.

במכניקת הקוונטים, אפס מוחלט מייצג את האנרגיה הפנימית הנמוכה ביותר של חומר מוצק במצב האדמה.

טמפרטורה משמש לתיאור כמה חם או קר הוא עצם. הטמפרטורה של אובייקט תלויה במהירות שבה מתנדנדים האטומים והמולקולות שלו. למרות שאפס מוחלט מייצג תנודות במהירות האיטית ביותר, תנועתם לעולם אינה נעצרת לחלוטין.

עד כה לא ניתן להגיע לאפס מוחלט - אם כי מדענים פנו אליו. המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) השיג טמפרטורת קור שיא של 700 נ"ק (מיליארדי קלווין) בשנת 1994. חוקרי מכון הטכנולוגיה של מסצ'וסטס קבעו שיא חדש של 0.45 נ"ק בשנת 2003.

פיזיקאים הראו שאפשר לטמפרטורה שלילית של קלווין (או רנקין). עם זאת, אין פירוש הדבר שחלקיקים קרים מאפס מוחלט; אלא אינדיקציה לכך שהאנרגיה פחתה.

הסיבה לכך היא שהטמפרטורה היא א תרמודינמי כמות הקשורה לאנרגיה ואנטרופיה. כאשר מערכת מתקרבת לאנרגיה המרבית שלה, האנרגיה שלה מתחילה לרדת. זה מתרחש רק בנסיבות מיוחדות, כמו במצבים שיווי משקל-חלקי שבהם הסיבוב אינו נמצא שיווי משקל עם שדה אלקטרומגנטי. אך פעילות כזו יכולה להוביל לטמפרטורה שלילית, אף על פי שנוספת אנרגיה.

באופן מוזר, מערכת בטמפרטורה שלילית עשויה להיחשב חמה יותר מאשר אחת בטמפרטורה חיובית. הסיבה לכך היא שהחום מוגדר לפי הכיוון בו הוא זורם. בדרך כלל, בעולם שיש בו טמפרטורה חיובית, חום זורם ממקום חם יותר כיריים חמות למקום קריר יותר כמו חדר. חום יזרום ממערכת שלילית למערכת חיובית.

ב- 3 בינואר, 2013, מדענים יצרו גז קוונטי המורכב ממנו אשלגן אטומים שהיו בעלי טמפרטורה שלילית מבחינת דרגות תנועה של חופש. לפני כן, בשנת 2011, וולפגנג קטרלה, פטריק מדלי, וצוותם הדגימו את האפשרות לטמפרטורה מוחלטת שלילית במערכת מגנטית.

מחקר חדש על טמפרטורות שליליות מגלה התנהגות מסתורית נוספת. לדוגמה, אחים רוש, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת קלן, בגרמניה, חישב כי האטומים בטמפרטורה מוחלטת שלילית ב- שדה הכבידה עשוי לנוע "למעלה" ולא רק "למטה". גז תת-זרעי עשוי לחקות אנרגיה אפלה, מה שמאלץ את היקום להתפשט מהר יותר ויותר כנגד הפנים משיכת כבידה.

מרלי, זייא. "גז קוונטי נמצא מתחת לאפס מוחלט." טבע, מר. 2013. doi: 10.1038 / nature.2013.12146.

מדלי, פטריק ואח '. "קירור דמגנטיזציה של ספין שיפוע של אטומי אולטרה-קולד." מכתבי ביקורת גופנית, כרך א '. 106, לא. 19, מאי 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.