8 Minutės
Absoliutus nulis — nulis kelvinų (0 K) — yra temperatūra, kurioje terminis atomų judėjimas teoriškai turėtų sustoti. Iš pirmo žvilgsnio idėja paprasta: atimk šilumą ir galiausiai visiškai sustos visi judesiai. Tačiau fizika aiškina, kad šio limito galime tik arti priartėti, bet jo nevaržomai nepasieksime. Šiame tekste paaiškinsime, kodėl absoliutus nulis yra fundamentaliai nepasiekiamas, kaip mokslininkai aušina medžiagas iki beveik neįsivaizduojamai žemų temperatūrų ir ką fizikai turi omenyje kalbėdami apie „neigiamas“ temperatūras.
Ką iš tikrųjų reiškia absoliutus nulis
Mokslininkai dažnai naudoja Kelvino skalę, nes ji prasideda nuo absoliučio nulio: 0 K atitinka visišką terminės energijos nebuvimą sistemoje, pagal klasikinę termodinamiką. Temperatūra yra vidutinės kinetinės energijos matas — kuo aukštesnė temperatūra, tuo greičiau dalelės juda ar vibracijomis keičia savo būsenas. Kietuose kūnuose tai pasireiškia atomų virpesiu, skystyse — molekulių stūmokliu ar srovėmis, dujose — laisvu greičiu ir sudėtingomis termodinaminėmis savybėmis.
Temperatūros mažinimas reiškia kinetinės energijos atėmimą iš dalelių ir jų judėjimo sulėtinimą. Intuityviai galėtų atrodyti, jog tereikia laipsniškai atimti vis mažiau šilumos, kol atomų judesys visiškai nutrūks. Tačiau trečioji termodinamikos taisyklė draudžia pasiekti 0 K per bet kokią baigtinę procedūrą. Dažnai cituojama Nernsto forma teigia: jokio proceso, atlikto per baigtinį skaičių žingsnių, negali atvesti sistemos iki absoliučio nulio. Praktikoje tai reiškia, kad kylant šalčiui pašalinti likusią energiją tampa vis sunkiau; paskutinės terminio judesio frakcijos pareikalaus eksponentiškai daugiau laiko ar išteklių.
Be termodinamikos apibrėžimo, reikšmę turi ir kvantinė fizika: net prie labai žemų temperatūrų sistema išlaiko nulinius kvantinius virpesius (angl. zero-point energy), susijusius su Heisenbergo neapibrėžtumo principu. Net idealiame, klasikinio apibrėžimo atveju galutiniame taške liktų tam tikras energijos kiekis, kurio neįmanoma išnaikinti, todėl „visiškas sustojimas“ teoriškai negalimas.
Kaip mokslininkai pasiekia itin žemas temperatūras – bet niekada nulį
Kasdieninė šaldytuvų veikimo logika — šilumos perkėlimas iš vidinės erdvės į aplinką kompresijos ir ekspansijos ciklu — tą pačią idėją pritaiko ir žemų temperatūrų fiziką. Kriogenikoje aušinimo procesai dažnai būna kelių pakopų: didesnės temperatūros pašalinamos pagrindiniais aušinimo etapais, o toliau naudojami specializuoti šaltiniai ir metodai. Skystasis helis-4 (He-4) pvz., verda apie 4,2 K atmosferos slėgyje ir ilgą laiką buvo pagrindinis darbinis skystis kriogeniniuose eksperimentuose.
Norint nueiti dar žemyn, naudojamas helis-3 (He-3) arba He-3/He-4 maišinių dilucijos šaldymo sistemos (dilution refrigerators), kurios leidžia pasiekti kelių dešimtųjų kelvino ar milikelvino lygmenis priklausomai nuo konstrukcijos. Kitos technikos — adiabatine demagnetizacija paremtos procedūros, pažangios magnetinės spynos ar optinės spynos — leidžia taip sumažinti entropiją, kad mėginiai pasiekia milijardines kelvino dalis arba dar žemesnes vertes.
Lazerinis aušinimas — technika, už kurią 1997 m. buvo suteikta Nobelio premija — sulėtina atomus leidžiant jiems absorbuoti ir išspinduliuoti fotonus. Tiksliai suderintos lazerio spindulių konfigūracijos sukuria vadinamąją „optinę tirštą terpę“ (optical molasses), kuri sumažina atomų greičius ir leidžia aušinti dujas iki mikrokelvinų ar net nanokelvinų skalės. Magneto-optinės spynos (MOT), lazerinės impulsinės technikos ir iš anksto paruošti atomų spinduliai tapo standartu ultrazemo temperatūros tyrimuose.
Evaporacinis aušinimas (evaporative cooling), kuriame greičiausi ir energetiškai turtingiausi atomai pašalinami iš spynos, leidžia likusiai dalelių populiacijai termodinamiškai susikoncentruoti žemesnės vidutinės energijos būsenoje. Simpatinis aušinimas (sympathetic cooling) naudoja vieną atomo rūšį kaip „aušintuvą“ kitai per kolizijas arba bendrą spynos aplinką, todėl šalia klasikinių metodų galima pasiekti dar žemesnes realias temperatūras praktinėje aplinkoje.
Dar egzotiškesnės gudrybės, tokios kaip branduolio demagnetizacija ir sudėtingos magnetinės ar optinės spynos, leido tyrėjams sumažinti mėginių temperatūras iki milijardinių ar net trilijoninių kelvino dalių specializuotose sistemose. Laboratorijose pranešta apie temperatūras maždaug 10^{-9} K iki 10^{-11} K tvarkose specializuotose nustatymuose. Tačiau net ir tokie rekordai lieka virš 0 K: termodinamikos dėsniai, techniniai nuostoliai ir sąveikos su aplinka visada palieka mažą, bet apčiuopiamą energijos likutį.
Matavimai tokiose žemose temperatūrose reikalauja itin tikslių termometrų ir metrologinių metodų: karštosios plokštės termometrai, Johnson-Nyquist triukšmo matavimai, kvantinės interferometrijos metodai bei smūginiai spektroskopiniai matavimai suteikia informaciją apie sistemos energijų pasiskirstymą. Kiekvienas matavimo veiksmas taip pat įveda atskirą termodinaminį kaštą — ryšį su aplinka, kurio neįmanoma visiškai neutralizuoti.
Kodėl trečioji termodinamikos taisyklė neleidžia pasiekti nulio
Trečioji termodinamikos taisyklė yra suformuluojama keliais būdais, tačiau viena naudingų interpretacijų remiasi entropija: šaldant, sistemos entropija artėja prie minimumo. Pasiekti absoliutų nulį reikštų pašalinti kiekvieną entropijos dalelę — iš esmės visiškai izoliuoti ir sutvarkyti sistemą. Bet realūs procesai susiduria su ribotumais: bet kokia procedūra apima baigtinį skaičių žingsnių, turi praktinių netobulumų, kvantinių svyravimų, sąveikų su aplinka ir kontroliavimo bei matavimo termodinaminę kainą.
Techninis aiškinimas taip pat nurodo, kad kiekvienas papildomas aušinimo žingsnis reikalauja daugiausiai resursų ir laiko, o artėjant prie 0 K procesų efektyvumas mažėja. Teoriškai naujausi tyrimai parodo, jog pasiekti 0 K bet kuriame fiziškai pagrįstame modelyje užimtų begalinį laiką. Kitaip tariant, Visatai reikėtų būti amžinai senai, kad reali sistema normalios termodinaminės evoliucijos sąlygomis pasiektų absoliutų nulį. Tai nėra vien tik praktinis apribojimas — tai fundamentinis laiko ir energijos apribojimas, susijęs su entropijos perskirstymu ir kvantiniais apribojimais.
Be to, kvantinėje mechanikoje egzistuoja nulinės taško energija ir Heisenbergo neapibrėžtumo principas, kurie užtikrina, kad tam tikros koordinates ir impulsai negali vienu metu turėti tikslių reikšmių. Todėl net ir tobulai izoliuota sistema išlaikys kvantinį judesį, t. y. nulinis terminis judėjimas nebus visiškai identiškas visiškam taisyklingam sustojimui klasikinėje sąvokoje.
Neigiamos temperatūros: šalčiau už šaltį ar karščiau už karštį?
Kartais fizikai kalba apie „neigiamas temperatūras“. Tai gali skambėti paradoksaliai: kaip galima būti šaltesniam už nulį? Atsakymas slypi sistemose, turinčiose ribotą energijos lygių kiekį, kuriose įmanoma populiacijų inversija. Tokiose sistemose papildoma energija gali sumažinti entropiją — tai yra priešinga įprastai termodinamikos elgsenai — ir temperatūros parametras pagal termodinamikos apibrėžimą tampa neigiamas.
Svarbu pabrėžti: neigiamos temperatūros būsenos nėra „šaltesnės“ nei 0 K; iš tiesų jos yra karščiausios iš visų teigiamų temperatūrų. Jei neigiamos temperatūros sistema būtų padėta šalia normalaus, teigiamą temperatūrą turinčio kūno, šiluma tekėtų iš neigiamos temperatūros sistemos į teigiamą. Tai reiškia, kad tokios būsenos turi aukštesnę termodinaminę energiją ir gali atlikti darbą prieš įprastines sistemas.
Neigiamos temperatūros būsenos dažniausiai pasiekiamos specializuotose eksperimentinėse sistemose, pavyzdžiui, tam tikruose spinklų (spin) tinkluose arba inžineriniuose kvantiniuose simuliatoriuose. Jos yra naudingos tyrimuose apie neįprastas kvantines fazes, kolektyvinį kvantinį elgesį ir energijos invertavimo procesus, tačiau jos nepažeidžia trečiosios termodinamikos taisyklės. Tai yra terminis parametrų perspektyvos permąstymas, o ne tiesioginis nukrypimas nuo fundamentalių termodinamikos principų.
Kodėl tai svarbu: pasekmės technologijoms ir fundamentaliai fizikai
Ultrazema temperatūra nėra vien tik mokslinė smalsumo sritis. Galimybė pasiekti temperatūras arti absoliutaus nulio turi tiesioginį poveikį kvantinei technologijai: kvantiniai kompiuteriai, itin tikslūs atominių laikrodžių mechanizmai, kvantinė metrologija ir eksperimentai, tyrinėjantys egzotiškas kvantines fazes, remiasi gebėjimu išlaikyti sistemas mažiausiai triukšmo ir terminių izoliacijos lygiuose.
Praktiniai varžtų pavyzdžiai apima kvantinių bitų koherencijos gerinimą, kurio pasiekti reikalaujama itin mažos terminės excitacijos; Bose–Einstein kondensatų tyrimus, kurie reikalauja nanokelvininių temperatūrų; bei superlaidžių grandinių ir kvantinių jutiklių plėtrą, kuri priklauso nuo stabilios kriogeninės aplinkos. Technologinė pažanga aušinimo technologijose, magnetinių spynų valdyme, lazerio stabilizavime bei vakuumų kūrime tiesiogiai prisideda prie naujų įrenginių ir metodų, kurie plėtoja tiek fundamentalią fiziką, tiek pramoninius sprendimus.
Neįmanomybė pasiekti absoliutaus nulio nustato esminę ribą: nors galime priartėti prie kvantinių pagrindinių būsenų su dideliu tikslumu, visada išliks termodinaminiai ir techniniai apribojimai. Tokie apribojimai skatina praktinius sprendimus: geresnę ekranavimą nuo triukšmo, pažangesnes spynas, didesnį automatizavimą matavimo procesuose ir naujas strategijas kvantiniam kontrolės mechanizmui optimizuoti.
Eksperto įžvalga
„Trečioji taisyklė yra ne tik teorinė, bet ir praktinė riba,“ sako dr. Leila Morgan, kondensuotosios materijos fizikė. „Laboratorijoje mes nuolat kuriame vis labiau rafinuotas priemones, skirtas atskirti sistemas nuo jų aplinkos ir išspausti terminės energijos perteklių, bet visada susiduriame su likusiu sąveikavimu ir triukšmu. Būtent tos smulkios netobulybės užtikrina, kad absoliutus nulis visada liks nepasiekiamas — tačiau jos taip pat skatina inovacijas aušinimo technologijose ir kvantinio valdymo srityje.“
Absoliutaus nulio supratimas yra tiek fundamentali fizikos pamoka, tiek įkvėpimas precizinės inžinerijos sprendimams. Nors visiškai užšaldyti Visatos neįmanoma, kova priartėti prie šio ribinio taško ir tirti kvantinius reiškinius ultrazemose temperatūrose lieka vienu iš produktyviausių ir technologiškai svarbių šiuolaikinės mokslo uždavinių.
Trumpai apibendrinant, svarbiausi dalykai, kuriuos verta prisiminti: absoliutus nulis yra teorinis termodinaminis ribos taškas, kurio neįmanoma pasiekti baigtinėmis procedūromis; kvantiniai apribojimai ir entropija nustato fundamentalius barjerus; praktiniai aušinimo metodai (skystasis helis, dilucijos šaldikliai, lazerinis aušinimas, adiabatine demagnetizacija) leidžia pasiekti itin žemas temperatūras, bet niekada ne nulį; o neigiamos temperatūros reiškinys yra speciali kvantinė būsena, kuri reiškia aukštesnę energiją nei bet kuri teigiama temperatūra. Šios žinios yra esminės ne tik teorinei fizikai, bet ir taikomųjų kvantinių technologijų plėtrai.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą