صفر مطلق چیست؟

صفر مطلق به پایین‌ترین دمای ممکن در جهان اطلاق می‌شود؛ نقطه‌ای فرضی که در آن هیچ انرژی حرارتی از یک سیستم قابل استخراج نیست. این دما بر اساس مقیاس‌های مختلف اندازه‌گیری دما، معادل مقادیر زیر است:

• صفر کلوین (0 K)
• منفی 273.15 درجه سانتیگراد (-273.15 °C)
• صفر رانکین (0 °R)
• منفی 459.67 درجه فارنهایت (-459.67 °F)

در گذشته تصور می‌شد که در صفر مطلق، تمام حرکات مولکولی متوقف می‌شوند. اما یافته‌های جدید نشان می‌دهند که در این دما، ذرات همچنان دارای حداقل ارتعاش هستند. به بیان دیگر، گرچه امکان گرفتن گرما از یک سیستم در صفر مطلق وجود ندارد، اما این دما نشان‌دهنده پایین‌ترین سطح آنتالپی (محتوای حرارتی) ممکن نیست.

در مکانیک کوانتومی، صفر مطلق به عنوان پایین‌ترین انرژی داخلی ماده جامد در حالت پایه خود تعریف می‌شود.

صفر مطلق و دما

دما معیاری برای سنجش میزان گرمی یا سردی یک جسم است. این کمیت به سرعت نوسان اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده جسم بستگی دارد. صفر مطلق، پایین‌ترین حد ممکن برای این نوسانات را نشان می‌دهد، اما حتی در این حالت نیز، حرکت ذرات به طور کامل متوقف نمی‌شود.

آیا رسیدن به صفر مطلق امکان‌پذیر است؟

تاکنون رسیدن به صفر مطلق به طور کامل میسر نشده است، اما دانشمندان به آن بسیار نزدیک شده‌اند. در سال 1994، موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) به دمای رکوردشکن 700 نانوکلوین (میلیاردم کلوین) دست یافت. سپس، در سال 2003، محققان دانشگاه MIT رکورد جدیدی با دمای 0.45 نانوکلوین به ثبت رساندند.

دماهای منفی

فیزیکدانان نشان داده‌اند که امکان وجود دمای منفی کلوین (یا رانکین) وجود دارد. با این حال، این بدان معنا نیست که ذرات سردتر از صفر مطلق هستند؛ بلکه نشان‌دهنده کاهش انرژی است.

دما یک کمیت ترمودینامیکی مرتبط با انرژی و آنتروپی است. هنگامی که یک سیستم به حداکثر انرژی خود نزدیک می‌شود، انرژی آن شروع به کاهش می‌کند. این اتفاق فقط در شرایط خاصی رخ می‌دهد، مانند حالت‌های شبه تعادلی که در آن اسپین با یک میدان الکترومغناطیسی در تعادل نیست. اما چنین فعالیتی می‌تواند منجر به دمای منفی شود، حتی اگر انرژی به سیستم اضافه شود.

به طور عجیب، یک سیستم با دمای منفی ممکن است داغ‌تر از یک سیستم با دمای مثبت در نظر گرفته شود. دلیل این امر این است که گرما بر اساس جهت جریان آن تعریف می‌شود. معمولاً در دنیای با دمای مثبت، گرما از یک مکان گرم‌تر مانند یک اجاق گاز داغ به یک مکان خنک‌تر مانند یک اتاق جریان می‌یابد. اما در این حالت، گرما از یک سیستم با دمای منفی به یک سیستم با دمای مثبت جریان خواهد داشت.

در 3 ژانویه 2013، دانشمندان یک گاز کوانتومی متشکل از اتم‌های پتاسیم ایجاد کردند که از نظر درجه آزادی حرکت، دمای منفی داشتند. پیش از این، در سال 2011، ولفگانگ کترله، پاتریک مدلی و تیمشان امکان وجود دمای منفی مطلق را در یک سیستم مغناطیسی نشان دادند.

تحقیقات جدید در مورد دماهای منفی، رفتارهای مرموزانه‌تری را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، آخیم روش، یک فیزیکدان نظری در دانشگاه کلن آلمان، محاسبه کرده است که اتم‌ها در دمای منفی مطلق در یک میدان گرانشی ممکن است "به سمت بالا" حرکت کنند و نه فقط "به سمت پایین". گاز زیر صفر ممکن است از انرژی تاریک تقلید کند، که باعث می‌شود جهان سریع‌تر و سریع‌تر در برابر کشش گرانشی به سمت داخل منبسط شود.