Absolutní nula

Rozbalit box

Obsah boxu

Absolutní nula je nejnižší možná teplota, při které podle principů klasické termodynamiky ustává veškerý tepelný pohyb částic. Jedná se o teoretickou dolní hranici teploty, které lze dosáhnout. Je definována jako 0 kelvinů (K), což odpovídá přesně −273,15 °C.

Z pohledu kvantové mechaniky si však i při absolutní nule částice zachovávají nenulovou energii, známou jako energie nulového bodu. Tento jev je důsledkem Heisenbergova principu neurčitosti. Dosažení absolutní nuly je podle třetího termodynamického zákona prakticky nemožné, ačkoliv v laboratorních podmínkách bylo dosaženo teplot extrémně blízko této hranici.

Koncept absolutní nuly je fundamentální pro fyziku, zejména pro termodynamiku a statistickou fyziku, a vedl k objevu exotických stavů hmoty, jako jsou Bose-Einsteinovy kondenzáty, supravodivost a supratekutost.

📜 Historie

Myšlenka na existenci minimální možné teploty se objevila již na počátku 18. století. Francouzský fyzik Guillaume Amontons v roce 1702 při studiu vztahu mezi tlakem a teplotou plynů extrapoloval, že při dostatečném ochlazení by tlak plynu klesl na nulu, což ho vedlo k teorii o existenci "absolutního chladu". Jeho měření však nebyla příliš přesná.

Klíčovou postavou v definování absolutní nuly byl skotský matematik a fyzik William Thomson, později známý jako Lord Kelvin. V roce 1848 navrhl termodynamickou teplotní stupnici, která je nezávislá na vlastnostech konkrétní látky. Tato stupnice, dnes nazývaná Kelvinova, začíná právě v bodě absolutní nuly (0 K). Kelvin definoval absolutní nulu jako teplotu, při které již nelze látce odebrat žádné další teplo. Jeho výpočet stanovil tuto hodnotu na −273 °C, což je velmi blízko dnes přijímané hodnotě −273,15 °C.

Teoretický základ pro nedosažitelnost absolutní nuly položil třetí termodynamický zákon, formulovaný Waltherem Nernstem na začátku 20. století. Tento zákon říká, že absolutní nuly nelze dosáhnout konečným počtem kroků.

⚛️ Vlastnosti hmoty poblíž absolutní nuly

Při extrémně nízkých teplotách v blízkosti absolutní nuly se projevují fascinující kvantové jevy, které nemají v makroskopickém světě za běžných teplot obdoby. Dominantní roli přebírá vlnová povaha částic a hmota se začíná chovat kolektivně.

🧊 Bose-Einsteinův kondenzát

Jedním z nejpozoruhodnějších stavů hmoty je Bose-Einsteinův kondenzát (BEC), teoreticky předpovězený Satyendrou Nathem Bosem a Albertem Einsteinem ve 20. letech 20. století. Tento stav nastává u plynů složených z bosonů ochlazených na teploty blízké absolutní nule. Při kritické teplotě přejde velká část atomů do nejnižšího možného kvantového stavu a začnou se chovat jako jediná "superčástice" nebo makroskopická vlna hmoty. První BEC byl experimentálně vytvořen v roce 1995 Ericem Cornellem a Carlem Wiemanem, za což spolu s Wolfgangem Ketterlem obdrželi v roce 2001 Nobelovu cenu za fyziku.

💧 Supratekutost

Supratekutost je stav, kdy kapalina proudí bez jakéhokoli vnitřního tření. Tento jev byl poprvé pozorován u kapalného helia-4 pod teplotou 2,17 K (tzv. lambda bod). Supratekuté helium může protékat i nejužšími kapilárami bez odporu a dokonce "přelévat" stěny nádob. Tento jev je úzce spjat s Bose-Einsteinovou kondenzací, kdy se část atomů helia-4 (což jsou bosony) dostane do stejného kvantového stavu.

⚡ Supravodivost

Supravodivost je jev, při kterém materiál vede elektrický proud s nulovým elektrickým odporem. Objevil ji Heike Kamerlingh Onnes v roce 1911 při chlazení rtuti na teplotu 4,2 K. Supravodivé materiály také vykazují dokonalý diamagnetismus, což znamená, že vytlačují magnetické pole ze svého vnitřku (tzv. Meissnerův jev). Supravodivost je kvantový jev, který je v konvenčních supravodičích vysvětlován BCS teorií, podle níž elektrony tvoří tzv. Cooperovy páry, které se mohou pohybovat materiálem bez rozptylu.

🔬 Dosažení a měření

Dosažení teplot v blízkosti absolutní nuly je technologicky velmi náročný proces, který vyžaduje několik stupňů chlazení. Podle třetího termodynamického zákona je dosažení 0 K nemožné.

Metody chlazení zahrnují:

• Kryogenní kapaliny: Použití zkapalněných plynů jako je dusík (bod varu 77 K) a helium (bod varu 4,2 K) pro předchlazení.
• Laserové chlazení: Atomy v plynu jsou zpomalovány přesně naladěnými laserovými paprsky. Fotony laseru předávají atomům hybnost proti směru jejich pohybu, čímž je efektivně brzdí a snižují jejich kinetickou energii, a tedy i teplotu.
• Magneto-optická past: Kombinace laserového chlazení a magnetických polí k zachycení a dalšímu ochlazení atomů.
• Adiabatická demagnetizace: Metoda používaná pro dosažení teplot v řádu milikelvinů, která využívá magnetické vlastnosti některých solí.

📉 Rekordně nízké teploty

Vědcům se daří přibližovat absolutní nule na stále menší zlomky stupně.

• Vesmír: Nejchladnějším známým přirozeným místem ve vesmíru je Mlhovina Bumerang, kde byla naměřena teplota přibližně 1 K (−272,15 °C). Teplota reliktního záření, které vyplňuje vesmír, je přibližně 2,7 K.
• Laboratoř: V roce 2021 se vědcům v Německu a Francii podařilo dosáhnout rekordně nízké teploty 38 pikokelvinů (38 × 10⁻¹² K), tedy pouhých 38 biliontin stupně nad absolutní nulou, a to pomocí Bose-Einsteinova kondenzátu v simulovaném stavu beztíže.

💡 Aplikace a výzkum

Výzkum v oblasti ultranízkých teplot otevírá dveře k novým technologiím a hlubšímu pochopení základních fyzikálních zákonů.

• Kvantové počítače: Mnoho typů qubitů, základních stavebních kamenů kvantových počítačů, musí pracovat při teplotách blízkých absolutní nule, aby se minimalizoval tepelný šum a zachovala se jejich křehká kvantová koherence.
• Přesná měření: Atomové hodiny a další vysoce citlivé senzory (např. pro měření gravitačních vln) využívají ochlazené atomy k dosažení maximální přesnosti.
• Supravodivé magnety: Silné supravodivé magnety jsou klíčové pro zařízení jako je magnetická rezonance (MRI) v lékařství nebo urychlovače částic (např. LHC v CERNu).
• Základní výzkum: Studium hmoty při ultranízkých teplotách umožňuje vědcům testovat hranice kvantové mechaniky a hledat novou fyziku, například v souvislosti s temnou energií a gravitací.

🤔 Koncept záporné absolutní teploty

Ačkoliv se to může zdát paradoxní, ve specifických fyzikálních systémech lze definovat stav, který je popisován zápornou absolutní teplotou. Nejedná se o teplotu "chladnější" než absolutní nula. Naopak, systémy se zápornou teplotou jsou "teplejší" než jakýkoli systém s kladnou teplotou.

Tento koncept se objevuje v systémech s omezeným počtem energetických stavů (např. spinové systémy), kde je možné dosáhnout tzv. inverzního obsazení – stavu, kdy je více částic ve vyšších energetických hladinách než v nižších. Při přechodu od kladných teplot k záporným systém prochází přes nekonečnou teplotu, nikoli přes nulu. Příkladem praktického využití inverzního obsazení je laser.

👶 Pro laiky: Co je absolutní nula?

Představte si teplotu jako míru toho, jak rychle se atomy a molekuly v nějaké látce pohybují nebo kmitají. Když něco ohříváte, dodáváte částicím energii a ony se začnou pohybovat rychleji – jako popcorn v rozpáleném hrnci. Když naopak něco ochlazujete, pohyb částic zpomalujete.

Absolutní nula je teoretický bod, kdy by se tento pohyb úplně zastavil. Je to nejnižší možná teplota, jaká ve vesmíru může existovat – naprostý klid na úrovni částic. Je to jako kdyby se v tom hrnci všechna zrnka kukuřice přestala hýbat a ležela nehybně na dně.

V reálném světě je ale nemožné absolutní nuly dosáhnout, stejně jako je nemožné dosáhnout absolutního ticha v rušném městě. Vždycky tam bude nějaký nepatrný, zbytkový "pohyb" daný zákony kvantové fyziky. Vědci se ale umí k této magické hranici neuvěřitelně přiblížit a při tom objevují úžasné vlastnosti hmoty, kdy se atomy začnou chovat jako jedna velká, dokonale synchronizovaná vlna.

Zdroje

Wikipedia: Absolutní nula Wikipedia: Třetí termodynamický zákon Aldebaran Glossary: Boseův Einsteinův kondenzát OSEL.CZ: Fyzici objevili kvantový trik pro dosažení absolutní nuly ChemistryViews: Lord Kelvin, the Coldest Possible Temperature, and the Age of the Earth e15.cz: NASA chystá fascinující experiment Living future: Nejnižší teplota dosažená v laboratoři byla pokořena fZone.cz: Absolutní nula by znamenala zastavení všech částic