Absolūtā nulle: definīcija, nulles punkta enerģija un rekordi

Atklāj absolūto nulli, nulles punkta enerģiju, Heisenberga nenoteiktību, rekordus (100 pK) un, kāpēc tās sasniegšana praktiski neiespējama.

Absolūtā nulle ir temperatūra, kurā ideālas sistēmas termiskā enerģija sasniegtu minimālo iespējamo līmeni. Tas tradicionāli tiek izprasts kā stāvoklis, kurā vielas daļiņu (molekulu un atomu) termiskā kustība vairs neeksistē, taču kvantu mehānikā šis skats ir jānokoriģē — pat pie absolūtās nulles daļiņām var būt nulles punkta enerģija (zero‑point energy), t. i., atlikusī kvantu svārstību enerģija.

Nulles punkta enerģija un Heisenberga nenoteiktības princips

Nulles punkta enerģija rodas no kvantu mehānikas pamatprincipiem. Heizenberga nenoteiktības principu var formulēt vienkārši: jo precīzāk zinām daļiņas atrašanās vietu, jo mazāk precīzi varam zināt tās impulsa (kustības momenta) vērtību, un otrādi. Tāpēc daļiņu pilnīga "apturēšana" nozīmētu zināmu atrašanās vietu un impulsa nulli vienlaikus, kas pārkāptu šo principu. Praktiski tas nozīmē, ka pat ideālā zemā temperatūrā sistēmā pastāv neliels minimāls svārstību līmenis — nulles punkta enerģija.

Kāpēc ir grūti sasniegt absolūto nulli

Absolūtajai nullei tuvināties ir tehniski ļoti sarežģīti. Galvenie izaicinājumi:

• Siltuma apmaiņa: jebkura saskare ar apkārtni vai instrumentiem var piegādāt siltumu un atgriezt sistēmu no ideālā stāvokļa.
• Procesu ierobežojumi: praktiski atdzesēšanas paņēmieni darbojas ar ierobežotu efektivitāti un parasti nevar pilnībā noņemt pēdējos kvantu svārstību enerģijas veidus.

Zinātnieki izmanto dažādas metodes, lai atomus un molekulas atdzesētu līdz ļoti zemām temperatūrām: lāzeru dzesēšana (optiskā molasses), iztvaikošanas dzesēšana, magnētiskā demagnetizācija un kombinētas tehnoloģijas. Laboratorijās ir sasniegti ļoti zemi rādījumi — piemēram, ir bijuši eksperimenti, kuros tika iegūtas temperatūras kā zem 100 pK (100 pikokelvinu, kas ir aptuveni 10^-10 K) virs absolūtās nulles — tomēr absolūtā nulle paliek nepiekļaujama.

Temperatūras skalas un absolūtā nulles skaitliskās vērtības

Kelvina un Rankina temperatūras skalas ir veidotas tā, lai absolūtā nulle būtu 0 K vai 0 °R. Atbilstošas vērtības citās skalās:

• Celsija: -273,15 °C
• Fārenheita: -459,67 °F

Kā izpaužas absolūtā nulles tuvums materiālos

Daudzas makroskopiskas īpašības mainās, tuvinoties absolūtajai nullei. Tomēr ir svarīgi saprast atšķirības starp vispārīgām sagaidām un kvantu specifiskiem efektiem:

• Klasiķisku gāzu gadījumā termiskais spiediens samazinātos, ja samazinās termiskā kustība; ideālā gadījumā pie absolūtās nulles termiskā spiediena daļa būtu nulle. Tomēr reālās sistēmās dominē kvantu stāvokļi un mijiedarbības.
• Nepareizi ir apgalvot, ka visiem materiāliem elektriskā pretestība vienmēr samazinās līdz nullei, tuvojoties absolūtajai nullei. Daži materiāli kļūst par supersavienotājiem (superconductors) zem noteiktas kritiskās temperatūras, un tad pretestība tiešām kļūst nulle; taču šī kritiskā temperatūra parasti ir zemāka par istabas temperatūru, tomēr ne nepieciešami ļoti tuvu absolūtajai nullei, un ne visi materiāli kļūst par supervadītājiem.
• Pie ļoti zemas temperatūrām var parādīties arī superplūsmība, Bose‑Einšteina kondensācija un citi kolektīvi kvantu efekti, kas rada īpašas makroskopiskas izpausmes.

Termodinamikas likumu saistība ar absolūto nulli

Trešais termodinamikas likums (Nērsta formulējums) saka, ka ideāla kristāliska viela pie absolūtās nulles būtu vienīgā stāvoklī, un tās entropija pieaugtu uz nulli. No praktiskā viedokļa no tā izriet arī neaizsniedzamības princips: absolūtas nulles sasniegšana ar galēji daudziem reāliem procesiem prasa neierobežotu daudzumu soļu vai enerģijas, tātad to nevar pilnībā sasniegt (nav iespējams nogādāt sistēmu tieši uz 0 K ar gala skaitu procesiem).

Otrais termodinamikas likums nosaka, ka siltumenerģijas dzinēji nekad nevar būt pilnīgi efektīvi. Karnota cikla efektivitāte dotā karstuma un aukstuma avota temperatūrā ir η = 1 − T_aukstais/T_karstais. Lai η būtu 100 %, būtu jābūt T_aukstajam = 0 K, kas nav praktiski sasniedzams, tāpēc ideāla 100 % pārvēršana no siltuma mehāniskajā darbā nav iespējama.

Sinteze

Absolūtā nulle ir fundamentāls termodinamikas un kvantu fizikas jēdziens: tā ir zemākā iespējamā temperatūra Kelvin vai Rankina skalās, un tai ir dziļas sekas uz daļiņu kustību, entropiju un makroskopiskajām īpašībām. Tomēr kvantu mehānikas dēļ daļiņas saglabā nulles punkta enerģiju, un likumi, piemēram, trešais termodinamikas likums, nosaka, ka absolūtas nulles sasniegšana reālajā pasaulē nav iespējama. Mūsdienu laboratorijas spēj tuvināties šim limitam ar ļoti sarežģītām atdzesēšanas tehnikām (tai skaitā ar lāzeru dzesēšanu), un tas ļāvis atklāt daudzus kvantu fenomenu, kas parādās tikai pie ļoti zemām temperatūrām.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir absolūtais nulle?

Vai absolūtā nulle nozīmē, ka daļiņas zaudē visu enerģiju un pārstāj kustēties?

J: Kāds ir temperatūras rekords, kas sasniegts tuvu absolūtajam nullim?

J: Kā zinātnieki atdzesē objektus līdz ļoti zemām temperatūrām?

J: Kā ir noteiktas Celsija un Fārenheita skalas attiecībā pret absolūto nulli?

J: Ko saka trešais termodinamikas likums par absolūto nulli?

J: Kā var palielināt dzinēja efektivitāti tuvāk 100 %?

Meklēt pēc burta