9 Minute
Zero absolut — zero kelvin — este temperatura la care mișcarea termică a atomilor ar înceta în mod teoretic. Pare simplu: elimini căldura treptat și, în cele din urmă, totul se oprește. Totuși, fizica ne spune că putem doar să ne apropiem de această limită, nu s-o depășim. În cele ce urmează explic de ce zero absolut este în esență inatins, cum reușesc cercetătorii să răcească materia la temperaturi aproape inimaginabil de scăzute și ce înseamnă, în termeni practici, când fizicienii vorbesc despre temperaturi „negative”.
Ce înseamnă cu adevărat zero absolut
Cercetătorii preferă scară Kelvin tocmai pentru că începe de la zero absolut: 0 K corespunde absenței complete a energiei termice medii. Temperatura măsoară energia cinetică medie a atomilor și moleculelor. La temperaturi mai ridicate, particulele se mișcă mai repede — vibrează în solide, se amestecă în lichide și se deplasează liber în gaze. Scăderea temperaturii înseamnă reducerea energiei cinetice și încetinirea acestor mișcări.
Intuitiv, ai putea imagina că extragi încă puțină căldură până când mișcarea atomică se oprește complet. Însă a treia lege a termodinamicii interzice atingerea efectivă a zero absolut printr-o secvență finită de operații. De regulă enunțată în forma propusă de Walter Nernst, legea afirmă că nicio procedură realizată într-un număr finit de pași nu poate aduce un sistem la zero absolut. În termeni practici, pe măsură ce un sistem devine mai rece, devine din ce în ce mai dificil să extragi energia rămasă; ultimele fracțiuni de mișcare termică cer resurse sau timp care cresc exponențial.
Cum obțin oamenii de știință temperaturi incredibil de scăzute — dar niciodată zero
Frigiderul de uz casnic mută căldura din interiorul unei cutii către mediu folosind un ciclu de compresie-extindere. Același principiu se aplică la fizica temperaturilor joase: agenți frigorifici și etape succesive de răcire reduc temperatura treptat. Heliul lichid-4, de exemplu, fierbe la aproximativ 4,2 K la presiune atmosferică și a fost mult timp coloana vertebrală a experimentelor criogenice. Pentru a coborî mai jos, laboratoarele folosesc heliu-3, frigidere de diluție, demagnetizare adiabatică și alte tehnici specializate.
Răcirea cu laser — tehnica recunoscută cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1997 — încetinește atomii permițându-le să absoarbă și să re-emite fotoni. Fasciculele laser acordate fin creează un fel de „molușel optic” care reduce vitezele atomice, răcind gazele până în regimuri de microkelvin (10^-6 K) sau chiar nanokelvin (10^-9 K). Metode adiționale, precum răcirea prin evaporare sau răcirea simpatică, extind mai departe domeniul posibil, permițând formarea condensatelor Bose–Einstein și a altor stări cuantice exotice.
Există și artificii experimentale și mai sofisticate: demagnetizarea nucleară, capcane magnetice și optice avansate, rețele optice periodice (optical lattices) și tehnici de izolare extremă. Aceste metode au împins temperaturile probelor până la miliardimi sau chiar trilioane de kelvin în sisteme controlate cu grijă. Experimentatorii raportează frecvent temperaturi din intervalul 10^-9 până la 10^-11 K în setări specializate, iar unele rezultate indică valori comparabile sau chiar mai mici în condiții particulare. Totuși, orice record experimental rămâne deasupra lui 0 K: legile termodinamicii, pierderile practice și zgomotul de mediu lasă întotdeauna o energie reziduală finită.
Tehnicile moderne de răcire combină mai multe etape: de la etape grosiere de pre-răcire (de la sute de kelvin la kelvini) până la etape fine de răcire laser și de evaporare în tuburi de vid ultra-înalte. De exemplu, frigiderele de diluție pot menține eșantioane la zeci de milikelvin (10^-3 K), caz în care circuitele cuantice supraconductoare sau detectorii sensibili funcționează optim. După aceea, folosind metode optice și magnetice, cercetătorii pot extrage energia cinetică rămasă dintr-un nor atomic, aducându-l aproape de starea fundamentală cuivantilă.
De ce a treia lege împiedică atingerea zero
A treia lege poate fi formulată în multiple moduri, dar o reprezentare utilă pleacă de la conceptul de entropie: pe măsură ce un sistem se răcește, entropia sa tinde spre o valoare minimă. A atinge zero absolut ar echivala cu eliminarea ultimului bit de entropie — practic izolarea și ordonarea perfectă a tuturor gradelor de libertate. Orice proces realist întâmpină limite: pași fini, imperfecțiuni materiale, fluctuații cuantice, cuplare inevitabilă la mediul înconjurător și costuri termodinamice asociate controlului și măsurării.
Din punct de vedere teoretic, lucrări recente arată și că, în modele rezonabile fizic, atingerea exactă a 0 K ar necesita un timp infinit. Cu alte cuvinte, universul ar trebui să aibă o vechime infinită pentru ca un sistem real să ajungă la zero absolut prin evoluție termodinamică normală. Această concluzie se leagă de proprietățile spectrului energetic al sistemului, de limitele vitezei de izolare și de faptul că fiecare operație de răcire are o eficiență mai mică decât perfectă.
Mai mult, la scale foarte mici apar fluctuații cuantice și efecte de zgomot care „repopulează” nivelele de energie cu mici excitații. Chiar și în capcane aproape perfecte, există procese de cuplare cu radiația de fond, cu rezistențe electrice, sau cu impurități minuscule care readuc energia în sistem. În practică, pentru experimentele care caută fidelitate foarte ridicată a stării fundamentale, aceste imperfecțiuni reprezintă limitările majore.
Temperaturi negative: mai reci decât rece sau mai fierbinți decât fierbinte?
Ocazional, fizicienii vorbesc despre „temperaturi negative”. Sună paradoxal: cum poți fi mai rece decât zero? Răspunsul constă în sisteme care au un set limitat de stări energetice în care este posibilă o inversiune de populație. În astfel de sisteme, adăugarea de energie poate reduce entropia — comportament opus celui obișnuit — iar parametrul temperatură definit de termodinamică poate deveni negativ.
Din perspectivă termodinamică, temperatura T este legată de variația entropiei S cu energia E prin expresia 1/T = ∂S/∂E (la volum și alți parametri constanți). Dacă creșterea energiei reduce entropia (∂S/∂E < 0), atunci 1/T este negativ, deci T este negativ. Acest lucru apare în sisteme cu spectru energetic limitat — de exemplu, anumite sisteme de spin într-un câmp magnetic sau anumite rețele atomice artificiale în care nivelurile superioare nu pot primi energie nelimitat.
Important de reținut: statele cu temperatură negativă nu sunt „mai reci”; ele sunt, paradoxal, mai fierbinți decât orice temperatură pozitivă. Dacă pui un sistem la temperatură negativă lângă unul la temperatură pozitivă, căldura va curge din sistemul cu T negativ către cel cu T pozitiv. Aceste stări inversate sunt utile în cercetare specializată — de exemplu în studii ale sistemelor de spin, în simulatoare cuantice proiectate sau în experimente care probează termodinamica în regimuri neobișnuite — dar nu încalcă a treia lege a termodinamicii.
De ce contează: implicații pentru tehnologie și fizica fundamentală
Fizica ultracold nu este doar o curiozitate academică. Tehnicile care permit apropierea de temperaturi aproape de zero absolut stau la baza calculului cuantic, a metrologiei de mare precizie, a ceasurilor atomice și a explorării unor faze cuantice noi. De exemplu, condensatele Bose–Einstein oferă un cadru experimental pentru studierea superfluidității, a interferenței cuantice la scară macroscopică și a modelelor many-body care simulatează materiale exotice.
Din punct de vedere tehnologic, sisteme precum qubiții supraconductori sau circuitele quantice necesită criogenie avansată (mili- sau microkelvin) pentru a reduce decoerența și a păstra coerența cuantică. Frigiderele de diluție care mențin componente la zeci de milikelvin sunt deja standard în laboratoarele de informație cuantică, iar progrese în izolarea termică și în controlul zgomotului continuă să îmbunătățească performanțele.
În metrologie, ceasurile atomice și interferometrele atomice ating precizii remarcabile grație controlului foarte bun al temperaturii și al stării interne a atomilor. Aceste instrumente au aplicații practice, de la navigație până la testarea constantelor fundamentale și măsurători ale gravitației. În plus, studiile despre imposibilitatea atingerii zero absolut au implicații conceptuale profunde: ele definesc limitele eroarelor sistematice, ale coerenței cuantice și ale posibilității de a realiza stări pure în sisteme macromoleculare.
Expert Insight
„A treia lege este atât o limită practică, cât și una teoretică,” spune Dr. Leila Morgan, fiziciană în materia condensată. „În laborator proiectăm metode tot mai ingenioase pentru a decupla sistemele de mediul înconjurător și pentru a elimina energia termică, dar tot timpul ne confruntăm cu cuplări reziduale și cu zgomot. Acele mici imperfecțiuni sunt cele care păstrează zero absolut mereu inaccesibil — și, în același timp, ele stimulează inovația în tehnologiile de răcire și în controlul cuantic.”
Înțelegerea zero absolut rămâne atât o lecție de fizică fundamentală, cât și o sursă de inspirație pentru inginerie de precizie. Nu putem congela complet universul, dar cursa pentru a ne apropia tot mai mult și pentru a investiga comportamentul cuantic la temperaturi ultrajoi rămâne una dintre cele mai productive provocări ale științei moderne. Progresele în tehnici de răcire, în designul experimentelor și în teoria termodinamicii cuantice continuă să extindă orizonturile a ceea ce este măsurabil și controlabil la scară atomică și subatomică.
Sursa: smarti
Lasă un Comentariu