دمای «صفر مطلق» چند درجه است و آیا رسیدن به آن امکانپذیر است؟
منظور از صفر مطلق پایینترین دمای ممکن به لحاظ نظری است؛ برای رسیدن به صفر مطلق، تمام ذرات درون یک جسم باید از حرکت بایستند.
فرادید| صفر مطلق پایینترین دمای نظری است که دانشمندان آن را منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتیگراد تعریف کردهاند. این مقدار حتی از فضا سردتر است. تاکنون هیچ چیزی که ما آن را بشناسیم به صفر مطلق نرسیده است. اما آیا دستیابی به این نقطه عطف سرد امکانپذیر است؟
به گزارش فرادید، برای پاسخ به این پرسش، اجازه دهید ماهیت دما را تعریف کنیم. ما به طور معمول، دمای چیزها را با میزان سرد یا گرم بودن آنها میسنجیم، اما دما در واقع معیار انرژی یا ارتعاشات همه ذرات یک سیستم است. اجسام داغ انرژی بیشتری دارند، پس ارتعاش ذرات آنها سریعتر است. آن نقطهای که در آن، ذرات اصلاً انرژی ندارند و متعاقباً حرکت نمیکنند، چیزی است که به آن صفر مطلق میگویند.
دانشمندان به رسیدن به این دماهای پایین علاقه دارند، چون با کاهش سرعت ذرات، تنها چند اثر کوانتومی جالب ظاهر میشوند. سانکالپا گوش، فیزیکدان نظری ماده چگال میگوید: یک اصل اساسی در مکانیک کوانتومی، دوگانگی موج-ذره است، پدیدهای که در آن، ذرهای مانند فوتونِ نور میتواند به صورت ذره یا موج رفتار کند.
گوش میگوید هنگام پرداختن به ذرات مکانیکی کوانتومی، بیاد آوردن «تمایزناپذیری» آنها مهم است، «ممکن نیست بتوانیم ذرات یا امواج را به صورت جداگانه ردیابی کنیم؛ کاری که با اجسام بزرگتر میتوانیم. منشأ این را میتوان در اصل عدمقطعیت معروف هایزنبرگ ردیابی کرد که ماهیت احتمالی اندازهگیری مکانیکی کوانتومی را میسنجد [به این معنا که وقتی موقعیت یک ذره دقیقاً اندازهگیری شود، تکانه آن با دقت کمتری شناخته میشود و بالعکس]. این ماهیت احتمالی به یک ذره مکانیکی کوانتومی یک ویژگی موجمانند میدهد.»
وسعت رفتار موجمانند کوانتومی با نسبت فواصل بینذرهای در سیستم بیان میشود که به آن طول موج حرارتی میگویند. در دماهای معمولی، این رفتار کوانتومی ناچیز است، اما با سردتر شدن ذرات، اثرات عجیبی ظاهر میشود.
گوش میگوید: «[این نسبت] با کاهش دما بزرگتر میشود و در صفر مطلق در واقع بینهایت است. پدیدههای کوانتومی مانند ابرسیالیت (جریان بدون اصطکاک)، ابررسانایی (جریان کنونی بدون هیچ مقاومتی) و تراکم اتمی فوقسرد همگی به همین دلیل اتفاق میافتند.»
در آزمایشات اولیه فوق سرد در دهه ۱۹۹۰ از تکنیکی به نام خنککننده لیزری برای شروع بررسی این اثرات استفاده شد. کریستوفر فوت، فیزیکدان فوقسرد از دانشگاه آکسفورد میگوید: «نور نیرویی بر اتمها وارد میکند که سرعت آنها را به دمای نسبتاً سرد، حدود ۱ کلوین (منهای ۲۷۲.۱۵ درجه سانتیگراد) کاهش میدهد. [این مقدار به اندازه کافی پایین است] تا بتوان رفتار کوانتومی را در جامدات و مایعات مشاهده کرد، اما برای گازهایی که ما مطالعه میکنیم، برای دریافت این اثرات کوانتومی به دمای دهها نانوکلوین نیاز داریم.»
کمترین دمای ثبتشده در آزمایشگاه توسط گروهی در آلمان در سال ۲۰۲۱ به دست آمد. این تیم اتمهای گاز مغناطیسیشده را از یک برج ۱۲۰ متری انداخت و میدان مغناطیسی را دائماً روشن و خاموش کرد تا حرکت ذرات را به یک توقف تقریباً کامل کاهش دهد. در این نوع آزمایش که به خنکسازی تله مغناطیسی معروف است، ذرات گازی به رقم باورنکردنی ۳۸ پیکوکلوین رسیدند، یعنی ۳۸ تریلیونیم درجه سانتیگراد بالاتر از صفر مطلق و در محدودهای که در آن میتوان اثرات کوانتومی در گازها را مشاهده کرد.
اما آیا تلاش برای خنک کردن بیشتر مواد فایدهای هم دارد؟ به گفته فوت احتمالاً نه! او میگوید: «رسیدن به این اثرات کوانتومی خیلی بیشتر از رسیدن به صفر مطلق برای ما جذاب است. اتمهای خنکشده با لیزر همین حالا در استانداردهای اتمی که زمان جهانی (ساعتهای اتمی) را تعریف میکنند و در رایانههای کوانتومی استفاده میشود اما کار در دمای پایینتر هنوز در مرحله تحقیق است و دانشمندان از این روشها برای آزمایش نظریههای فیزیکی جهانی استفاده میکنند».
در حال حاضر، نمیتوان آن ۳۸ تریلیونیم درجه نهایی را کاهش داد و برای تحقق بخشیدن به آن باید بر چندین مانع غلبه کرد. در واقع، حتی اگر به صفر مطلق برسیم، ممکن است به دلیل تکنیکهای نادقیق اندازهگیری، آن را کاملاً از دست بدهیم.
فوت میگوید: «با ابزارهای فعلی، نمیتوان گفت که این نتیجه صفر بود یا فقط یک عدد بسیار بسیار کوچک بود. برای سنجش صفر مطلق، شما در واقع به یک دماسنج بینهایت دقیق نیاز دارید و این فراتر از سیستمهای اندازهگیری فعلی ماست.»
مترجم: زهرا ذوالقدر
