فیزیک ناممکن؛ چرا هیچ چیز در جهان نمیتواند به صفر مطلق برسد؟
زومیت: حتی با پیشرفته ترین روش های خنک کننده، قوانین ترمودینامیک از رسیدن کامل به صفر مطلق جلوگیری می کند.
در حالی که اکثر نقاط جهان دما را بر حسب سانتیگراد اندازه گیری می کنند و ایالات متحده همچنان به فارنهایت پایبند است، دانشمندان عموما واحد کلوین را ترجیح می دهند. یک درجه کلوین اختلاف دمایی برابر با یک درجه سانتیگراد دارد، اما نقطه شروع آن ۲۷۳.۱۵ درجه کمتر است. اگر این عدد عجیب به نظر می رسد، به این دلیل است که صفر کلوین برابر با صفر مطلق است، نقطه ای که گرما وجود ندارد.
با این حال، هیچ چیز در جهان، نه سرمای فضای بیرونی و نه هیچ چیز ساخته دست بشر، به صفر مطلق نمی رسد. طبق قوانین فیزیک، هیچ چیز نمی تواند دقیقاً به صفر کلوین برسد. اگرچه تا کنون توانسته ایم به دمای ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۴ کلوین برسیم، اما چرا رسیدن به صفر مطلق غیرممکن است؟
دما واقعاً چه چیزی را اندازه گیری می کند؟
دما انرژی حرکت اتم ها و مولکول ها را نشان می دهد. انرژی باعث می شود اتم ها و مولکول ها در جامدات ارتعاش کنند یا در مایعات و گازها به طور نامنظم حرکت کنند. هر چه میانگین انرژی یک ماده بیشتر باشد، حرکت مولکول ها سریعتر و دمای ماده بالاتر می رود.
این حرکت زمانی که دما به سمت صفر کلوین کاهش می یابد به حداقل می رسد. ممکن است تصور کنیم که با استخراج کمی گرما حرکت مولکول ها به طور کامل متوقف می شود و به صفر مطلق می رسیم. اما قانون سوم ترمودینامیک از این امر جلوگیری می کند.
قانون سوم مانند دو قانون اول ترمودینامیک را می توان به روش های مختلفی بیان کرد. ساده ترین شکل آن توسط والتر نرنست ارائه شد: “هیچ روشی نمی تواند در تعداد محدودی از مراحل به صفر مطلق برسد.” به عبارت دیگر، برای رسیدن به صفر مطلق، انرژی باید از یک سیستم بی نهایت بار حذف شود که غیرممکن است.
ارنست این را از آزمایشاتی به دست آورد که در آن مواد را به تدریج سرد می کرد، اما همیشه مقداری گرما باقی می ماند که از رسیدن به صفر مطلق جلوگیری می کرد. مکانیک آماری بعدها نشان داد که این نتیجه را می توان از قوانین دیگر ترمودینامیک به دست آورد.
اخیراً ثابت شده است که رسیدن به صفر مطلق در زمان محدود امکان پذیر نیست و این بدان معناست که برای رسیدن به صفر مطلق، جهان باید بی نهایت پیر باشد.
چگونه می توان به دمای نزدیک به صفر مطلق رسید؟
اگر بخواهیم دمای یخچال یا فریزر خود را به صفر درجه سانتیگراد برسانیم، گرما را با استفاده از سیکل تبرید به محیط بیرون منتقل می کنیم: گاز فشرده و گرم می شود، سپس گرمای آن به محیط منتقل می شود و گاز منبسط می شود تا خنک شود. این عمل را بارها تکرار می کنیم تا دما کاهش یابد.
با همین روش می توان هلیوم را تا منفی ۲۶۹ درجه سانتیگراد یعنی فقط ۴ درجه بالای صفر مطلق خنک کرد. ماده ای که در هلیوم مایع غوطه ور می شود حرارت خود را از دست می دهد تا زمانی که به همان دما برسد.
با استفاده از ایزوتوپ کمیاب هلیوم-۳، میتوانیم پایینتر برویم. برای دماهای پایین تر، از روش های پیشرفته تری مانند مغناطیس زدایی هسته ای و خنک سازی لیزری استفاده می شود. در روش لیزر، اتم ها توسط پرتو لیزر به صورت سه بعدی مهار می شوند تا حرکت آنها کاهش یابد و انرژی از دست برود. این روش که برنده جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۹۷ شد، می تواند مواد میکروسکوپی را به دمای کمتر از یک میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق برساند.
با این حال، هیچ یک از این روش ها قانون سوم ترمودینامیک را دور نمی زند. همیشه مقداری گرما باقی می ماند. روشهای پیشرفتهتر، مانند عدسیدهی موج ماده، میتوانند اتمهای روبیدیم را تا دمای ده برابر پایینتر خنک کنند، اما همچنان از صفر مطلق فاصله دارند.
دماهای منفی، نه سردتر از صفر مطلق
فیزیکدانان گاهی اوقات از “دمای منفی” صحبت می کنند که سردتر از صفر مطلق به نظر می رسد. اما این یک نام اشتباه است. در این سیستم ها، بر خلاف حالت معمول، افزودن انرژی باعث کاهش بی نظمی (آنتروپی) می شود. چنین شرایطی فقط در سیستم های محدود و خاص رخ می دهد و این سیستم ها واقعاً سرد نیستند. بلکه آنقدر داغ هستند که وقتی در معرض محیط معمولی قرار می گیرند، گرما از آنها به محیط می ریزد.
