رسیدن به دمای صفر مطلق شدنی است؟ - وبلاگ ایران

رسیدن به دمای صفر مطلق شدنی است؟

به گزارش وبلاگ ایران، برای دستیابی به دمای صفر مطلق، تمام ذرات درون یک جسم باید حرکت شان را متوقف کنند.

غزال زیاری- صفر مطلق پائین ترین دمای نظری است که دانشمندان آن را 273.15- درجه سانتی گراد تعریف می کنند. این دما حتی سردتر از دمای بخش خارجی فضاست و تا به امروز هیچ چیز از چیزهایی که ما می شناسیم، به دمای صفر مطلق نرسیده است. اما آیا حتی امکان دستیابی به این دمای عجیب وجود دارد؟

برای پاسخ دادن به این سوال، باید به این موضوع بپردازیم که در واقع دما چیست؟ ما عادت داریم تا فاکتور دما را برای اعلام گرم یا سرد بودن چیزی اعلام کنیم؛ اما واقعیت این است که دما معیاری از انرژی یا ارتعاشات همه ذرات یک سیستم است. اجسام داغ انرژی بیشتری دارند؛ در نتیجه ذرات آنها ارتعاش سریع تری خواهند داشت. نقطه ای که در آن ذرات فاقد انرژی هستند و درنتیجه حرکتی نمی کنند، چیزی است که به عنوان دمای صفر مطلق تعریف می شود.

تلاش دانشمندان برای رسیدن به صفر مطلق

دانشمندان علاقه زیادی دارند تا به این دماهای پائین دست پیدا کنند؛ چرا که با کاهش سرعت ذرات، چند اثر کوانتومی مجذوب کننده در آنها ظاهر می شود. سانکالپا گوش، فیزیکدان نظری ماده چگال درموسسه فناوری دهلی هند در این رابطه گفت: یک اصل اساسی در مکانیک کوانتوم، دوگانگی موج-ذره است. پدیده ای که در آن ذره ای مثل فوتون نور می تواند مثل ذره یا موج رفتار کند.

او دراین رابطه گفت: در هنگام برخورد با ذرات مکانیکی کوانتومی، مهم این است که غیرقابل تشخیص بودن آنها را در نظر داشته باشیم. این امکان وجود ندارد که ذرات و امواج را به شکل جداگانه ردیابی کنیم. این کاری است که در مورد اجسام بزرگتر، قادر به انجام آن هستیم. منشا این را می توان به اصل عدم قطعیت معروف هایزنبرگ برگرداند که طی آن ماهیت احتمالی آن میزان گیری مکانیکی کوانتومی را با کمیت معین می کند (بدین معنا که وقتی موقعیت یک ذره به صورت دقیق میزان گیری می شود، تکانه آن با دقت کمتری شناخته می شود و بالعکس). این ماهیت احتمالی به یک ذره مکانیکی کوانتومی، یک ویژگی موج مانند می دهد.

وسعت این رفتار موج مانند کوانتوم، با نسبت فواصل بین ذره که در سیستم تحت عنوان طول موج حرارتی De Broglie شناخته می شود، مطرح خواهد شد. در دماهای معمولی، این رفتار کوانتومی ناچیز است؛ اما با پائین آمدن دما و سرد شدن ذرات، اثرات عجیبی را شاهد خواهیم بود.

گوش ادامه داد: این نسبت با کاهش دما بزرگتر شده و در صفر مطلق، بی نهایت است. پدیده های کوانتومی مثل سیالیت فوق العاده (جریان بدون اصطکاک)، ابررسانایی (جریان بدون مقاومت) و چگالش اتمی فوق سرد همه به همین دلیل اتفاق می افتند.

در آزمایش های اولیه فوق سرد در دهه 1990، برای شروع بررسی این اثرات از تکنیکی به نام خنک کننده لیزری استفاده کردند. کریستوفر فوت، فیزیک دان فوق سرد دانشگاه آکسفورد دراین رابطه گفت: نور، نیرویی بر اتم ها وارد می کند که آنها را تا دمای پائین 272.15- سانتیگراد (یا یک کلوین) کاهش می دهد. این سرعت برای مشاهده رفتار کوانتومی در جامدات و مایعات به میزان کافی پائین است ولی درباره گازهایی که مورد مطالعه قرار می گیرند، برای دریافت این اثرات کوانتوم، به دمای 10 نانوکلوین نیاز داریم.

پائین ترین دمای ثبت شده

پائین ترین دمایی که تا به امروز در یک آزمایشگاه ثبت شده، در سال 2021 و از طریق گروهی در آلمان ایجاد شده. اعضای این تیم، اتم های گاز مغناطیسی شده را در یک برج 12 متری به پائین راندند و دائما میدان مغناطیسی را روشن و خاموش می کردند تا سرعت ذرات را آنقدر کند کنند تا تقریبا به حالت ساکن در بیایند. در این آزمایش که تحت عنوان خنک سازی تله مغناطیسی شناخته می شود، ذرات گاز به دمای باورنکردنی 38 پیکوکلوین (38 تریلیونم درجه سانتیگراد بالاتر از صفر مطلق که کاملا محدوده ای برای شروع مشاهده اثرات کوانتوم در گازهاست) می رسند.

اما آیا تلاش برای خنک کردن بیشتر مواد مفید است؟ طبق گفته فوت، احتمالا نه. او در این رابطه گفت: تمایل ما به مشاهده اثرات کوانتومی به مراتب بیشتر از رسیدن به دمای صفر مطلق است. اتم های خنک شده با لیزر قبلا در استانداردهای اتمی که زمان بین المللی (ساعت های اتمی) را تعریف می کنند و در رایانه های کوانتومی مورد استفاده قرار گرفته اند. کار در دماهای پائین تر هنوز در مرحله تحقیق است و مردم از این متدها برای آزمایش نظریه های فیزیکی جهانی استفاده می کنند.

در حال حاضر این امکان وجود ندارد تا آن 38 تریلیونم درجه نهایی را کاهش داد و البته برای محقق کردن این هدف، باید موانع دیگر را نیز از پیش رو برداشت. در حقیقت حتی اگر به دمای صفر مطلق برسیم هم ممکن است به دلیل تکنیک های میزان گیری غیردقیق، آن را از دست بدهیم.

فوت ادامه داد: با ابزارهای فعلی، نمی توان تشخیص داد که آیا دما صفر است یا یک دمای بسیار بسیار پائین. برای میزان گیری دمای صفر مطلق، در واقع به یک دماسنج بی نهایت دقیق نیاز دارید و این فراتر از سیستم های میزان گیری فعلی ماست.

منبع: livescience