1. mart. 2010.
 |
Bumerangova maglina. Kao i kod „Obodinovog" frižidera, i ovde je naglo širenje gasova izazvalo snižavanje njihove temperature. U ovom slučaju, ta temperatura iznosi -272° C.
|
U eksperimentima na „normalnim" temperaturama, hemijske reakcije imaju tendenciju da sa padom temperature postepeno usporavaju. Ali naučnici su otkrili da su molekuli na temperaturama tek koji stomilijarditi deo stepena iznad apsolutne nule [-273,15° C, ili 0 Kelvina, a može i 0 R(ankina)] još uvek u stanju da razmenjuju atome, stvarajući nove hemijske veze, sve zahvaljujući neobičnim kvantnim efektima koji se javljaju na jako niskim temperaturama.
„Savršeno je bilo rezonski za očekivati da u ekstrahladnom režimu više ne postoji hemija," kaže Deborah Jin iz Univerziteta Kolorado u Boulderu, čiji tim je objavio rezultate eksperimenata u časopisu „Science" (DOI: 10.1126/science.1184121). „Međutim, eksperimenti kažu suprotno, da postoji hemije i to mnogo."
Zašto je apsolutna nula nemoguć cilj?
U praksi, rad potreban za odvođenje toplote iz nekog gasa povećava hladnoću koju dobijamo, tako da je potreban beskonačno veliki rad da bi se nešto ohladilo do temperature apsolutne nule. U kvantnom smislu, a prema Hajzenbergovom principu neodređenosti (o kome sam pisao u poglavlju 38. knjige „Molim te objasni mi"), znamo da što preciznije poznajemo brzinu neke čestice to manje znamo njen položaj, i obrnuto. Ako znate da neki atomi učestvuju u eksperimentu, mora da postoji neka neodređenost u njihovoj brzini koja ih drži iznad apsolutne nule - sem ako taj eksperiment ne obuhvata čitav kosmos[1].
Koje je najhladnije mesto u Sunčevom sistemu?
Prema najnovijim saznanjima s kraja prošle godine, izgleda ipak da najniža temperatura u solarnom sistemu vlada - na Mesecu. Tada je Nasin „Lunar Reconnaissance Orbiter" u kraterima na južnom polu (Mapping the moon) koji se večito nalaze u senci izmerio temperaturu od svega -240° C - samo 30° iznad apsoltne nule i desetak stepeni niže od temperature na Plutonu. Brrrr.
Koji je nahladniji prirodni objekat u svemiru?
Najhladnije mesto u poznatom univerzumu predstavlja maglina Boomerang, koja se nalazi u sazvežđu Kentaura, nekih 5.000 sv. godina daleko od nas. Naučnici iz JPL su još 1997. raportirali da su se gasovi sa umiruće zvezde tako snažno i brzo raširili[2] da su ohlađeni na samo 1 K, dakle, samo stepen toplije od apsolutne nule. Uobičajeno, gasovi u kosmosu imaju temperaturu od 2,7 K, koliko iznosi temperatura kosmosa, zagrejanog samo kosmičkim mikrotalasnim zračenjem. To je sve što je danas preostalo od 2 × 1012 K, koliko je iznosila temperatura samo delić sekunde nakon Velikog praska. Ali širenje Bumerangove nebule stvorilo je efekat svojevrsnog kosmičkog frižidera, omogućivši njegovim gasovima neuobičajeno nisku temperaturu.
Koji je najhladniji objekat uopšte u kosmosu?
Ako se broje i veštački sateliti, stvar postaje još hladnija. Određeni instrumenti na svemirskoj opservatoriji „Planck", koju je u maju 2009. lansirala Evropska svemirska agencija, ohlađeni su na 0,1 kelvin, sa ciljem da umanje mikrotalasni šum koji bi remetio rad satelitove optike. Svemirsko okruženje, u kombinaciji sa mehaničkim i kriogenim sistemima za hlađenje („criocooler"), koristi vodonik i helijum da bi u četiri stepena ohladili određene instrumente do 0,1 K.
Dve evropske laboratorije lansirane u isto vreme raketom „Ariane V". Rezultati rada obe opservatorija krucijalno zavise od konstantno niske temperature njihovih instrumenata. High-resolution JPEG (1.5MB)
Koja je najniža temperatura postignuta u laboratoriji?
Najniža temperatura ikada izmerena proizvedena je ovde, u zemaljskim laboratorijama. Septembra 2003. nemački naučnici sa Masačusetskog tehnološkog instituta (MIT) su objavili da su uspeli da oblak natrijumovih atoma ohlade do rekordnih 0,45 nanomelvina, tj. 450 trilionitih delova Kelvinovog stepena. Pre toga, fizičari Laboratorije za niske temperature sa Helsinškog tehnološkog instituta su 1999. u komadu metala rodijuma dostigli temperaturu od samo 0,1 nanokelvin[3]. Međutim, to je temperatura samo jednog tipa kretanja - kvantnog svojstva zvanog atomski spin - i ne predstavlja ukupnu temperaturu svih mogućih kretanja.
Koje neobičnosti pokazuju gasovi u blizini apsolutne nule?
Kod „običnih" čvrstih tela, tečnosti i gasova, toplota ili termička energija se povećava usled kretanja atoma i molekula koji se međusobno sudaraju i odbijaju jedan od drugog. Ali, na jako niskim temperaturama, započinje neobično carstvo kvantne mehanike. Molekuli se ne sudaraju na uobičajeni način; njihovi kvantno-mehanički talasi se šire i preklapaju. U tim procesima nekada se stvara tzv. Bose-Einsteinov kondenzat[4], u kome se svi atomi ponašaju identično kao jedan „super-atom". Prvi čisti Bose-Einsteinov kondenzat stvoren je 1995. godine u Koloradu, kada je oblak rubidijumovih atoma ohlađen na svega 170 nanokelvina (1,7 × 10-7 K).
Interesantno je da vreme ninakoji način ne utiče na apsolutnu nulu. Recimo, čak i na tim temperaturama radioaktivni raspad se nastavlja istim tempom kao i na ostalim temperaturama.
Negativna temperatura?
U određenim polu-izolovanim sistemima, kao što su sistemi nereagujućih spinova u magnetnom polju, mogu da dostignu negativne temperature; međutim, to ne znači da su one hladnije od apsolutne nule. Njih, međutim, zamišljamo kao "toplije od T = ∞", gde energija sa sistema sa negativnom energijom prelazi na bilo koji drugi sistem sa pozitivnom temperaturom bez kontakta.
[1] Prema zakonima termodinamike, nemoguće je doseći aprolutnu nulu jer bi to zahtevalo da dati termodinamički sistem bude u potpunosti uklonjen iz svemira. Pri apsolutnoj nuli sistem još uvek poseduje kvantno-mehaničku energiju nulte tačke. Iako na apsolutnoj 0 kretanje molekula ne prestaje u potpunosti, sistem nema dovoljno enegrije za prenošenje na druge sisteme. Stoga je pravilnije reći da je na apsolutnoj 0 kinetička energija molekula ravna 0.
[2] Račun pokazuje da se gasovi šire brzinom od 500.000 km/h već 1.500 godina.
[3] Najniža temperatura nekog relativno makroskopskog predmeta postignuta je 8. aprila 2007. na MIT, kada je predmet težak 1 gram, koji je sadržavao hiljade atoma, ohlađen na 0,8 K.
Na toj temperaturi atomi su imali brzinu od oko 20 cm/s. Na sobnoj temperaturi, prosek je oko 500 m/s!
[4] To je stanje materije razređenog gasaslabo reaktivnih bozona na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli. Mnoge nobelove nagrade su podeljene za istraživanja u ovoj oblasti.
