دمای صفر مطلق چیست؟

0 157
شنبه، ۱۰ آذر ۱۳۹۷، ۲۱:۵۹

در زمینه تحقیقات فوق سرد نیز یک حد پایین وجود دارد.

علم پر از صفر است. جرم نور صفر است. بار الکتریکی نوترون صفر است. طول نقطه ریاضی صفر است. ممکن است این صفرها نا آشنا باشند ولی هر یک منطق خاصی را دنبال می‌کنند. همه آن‌ها فقدان یک کیفیت خاص مانند جرم، بار الکتریکی و فاصله را نشان می‌دهند. ولی دمای صفر مطلق کمی عجیب است.

ما در اینجا می‌خواهیم به چیزهای گرم و سرد مرتبط فکر کنیم. برای مثال یک فنجان چای سرد شده از آتش روی اجاق گاز سردتر ولی از یک قطعه یخ گرم‌تر است. صفر مطلق سردترین دمای ممکن را نشان می‌دهد.

مورد عجیب این است که صفر مطلق حتی در دماسنج‌های غیرعلمی صفر هم نیست. صفر مطلق برابر 273/15- درجه سلسیوس یا 459/67- درجه فارنهایت است.

کمترین دما چیست؟

کلید فهم صفر مطلق در این است که بدانیم مفهوم دما چیست. به طور ساده دما اندازه سرعت حرکت اتم‎ها و مولکول‌ها در ماده یا به طور دقیق‌تر میانگین انرژی جنبشی این ذرات است.

وقتی در یک بازی توپی به شما برخورد می‌کند شما انرژی این برخورد را حس می‌کنید. برای درک مفهوم دما میلیارها برخورد این چنینی در مقیاس کوچک را در نظر بگیرید.

ضربه اتم‌های سریع محکم‌تر است و این حس، دمای بالاتر را نشان می‌دهد. وقتی یک جسم گرم و سریع به یک جسم سرد برخورد می‌کند مقداری از انرژی و سرعت آن به جسم سرد منتقل می‌شود. جسم گرم سردتر و جسم سرد گرم‌تر می شود.

با این مثال صفر در عبارت صفر مطلق معنی دار شد. صفر مطلق دمایی است که در آن ذرات موجود در یک ماده اساساً بی حرکت هستند. دیگر هیچ راهی برای کاهش سرعت آن‌ها وجود ندارد، بنابراین هیچ دمای پایینتری وجود ندارد.

آیا همه چیز در دمای صفر مطلق از حرکت باز می‌ایستد؟ نه دقیقاً. طبق یک نظریه از فیزیک کوانتومی اتم‌ها در این دما کاملاً ساکن نمی‌شوند و در جای خود تلوتلو می‌خورند. هرقدر هم دمای آن‌ها کم شود این حرکت ادامه خواهد داشت. الکترون، نوترون و پروتون به حرکت خود ادامه می‌دهند.

چه کسی صفر مطلق را کشف کرد؟

گویلام امونتونس (Guillaume Amontons) که این مفهوم اساسی را در سال 1702 کشف کرد، یک مخترع فرانسوی بود که در کودکی شنوایی خود را از دست داد و نتوانست به دانشگاه برود. آزمایش‌های او رابطه بین دما و فشار هوا را نشان داد و او دریافت که در جایی که فشار هوا به صفر برسد دما هم به مینیموم خود خواهد رسید. او دمای صفر مطلق را حدود 240- درجه سلسیوس تخمین زد.

در سال 1848 ویلیام تامسون معروف به لرد کلوین (Lord Kelvin) فیزیکدان ایرلندی-اسکاتلندی کارهای امونتونس را ادامه داد و مفهوم مقیاس دمای مطلق برای تمام مواد را معرفی کرد. او صفر مطلق را عدد 0 قرار داد تا از دست اعداد منفی خلاص شد. فیزیکدانان در حال حاضر از مقیاس کلوین (K) برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند.

سردترین نقطه جهان کجاست؟

انرژی باقیمانده از بیگ بنگ جهان را گرم می‌کند و دمای آن را بالای صفر مطلف نگه می‌دارد. متوسط دمای فضا 2/74 درجه کلوین یا 454/7- درجه فارنهایت است.

برخی از اجرام آسمانی دمایی کمتر از فضای خالی دارند. یک ابر گازی درحال رشد به نام سحابی بومرنگ همانند یک یخچال بین ستاره‌ای عمل می کند و با دمای حدود 1K سردترین مکان طبیعی در سراسر کیهان است.

ولی انسان‌ها بر روی به دمای پایین‌تر از آن هم رسیده اند. در سال 2003 محققان موسسه MIT توانستند حرکت اتم‌های سدیم را با کمک پرتو لیزر کند کنند و دمای آن‌ها را به نیم-میلیاردم درجه بالاتر از دمای صفر مطلق برسانند. این دما هنوز یک رکورد جهانی است.

دومین مکان سرد مصنوعی خارج از زمین و در آزمایشگاه اتم سرد در ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار دارد. تابستان گذشته در این آزمایشگاه دما به 30 میلیون برابر پایین‌تر از دمای فضای خالی رسید. رابرت تامپسون یکی از محققان ناسا در این پروژه می‌گوید: «ما در حدود 20 سال است روی این پروژه کار می‌کنیم و به نتیجه رسیدن آن بسیار فوق‌العاده است.»

چه اتفاقی برای ماده در این دما می‌افتد؟

خوشحالی تامپسون به این دلیل بود که اتم‌های فوق سرد خواص بالقوه مفیدی دارند. برای مثال آن‌ها حالت اختصاصی خود را از دست می‌دهند و وارد حالت عجیبی از ماده به نام چگال بوز-اینشتین می‌شوند.

تامپسون می گوید: «عده‌ای از ما در حال استفاده از این حالت چگال در کاربردهای عملی مانند ناوبری ماهواره‌ای هستند. گروهی هم از تئوری‌های بنیادی فیزیک برای شیبه سازی فیزیک جهان اولیه استفاده می‌کنند.»

در دمای نزدیک به صفر مطلق، برخی واکنش‌های شیمیایی که در شرایط عادی قابل انجام نیستند، احتمالاً قابل انجام می‌باشند. بهار گذشته، Kang-Kuen Ni شیمیدان دانشگاه هاروارد مولکولی از ترکیب دو اتم کُند و دمای پایین ساخت که کوچکترین آزمایش شیمی جهان نام گرفت. در چنین شرایطی، اثرات دقیق فیزیک کوانتوم به راحتی قابل مشاهده است. Ni می‌گوید: «ما می‌توانیم طبیعت موجی اتم‌ها و مولکول‌ها را در دماهای فوق سرد مشاهده کنیم.»

Ni امیدوار است قوانین کشف نشده شیمی را برای ساخت مولکول‌های جدید کشف کند. از دیگر کاربردهای آزمایش‌های دمای صفر مطلق می توان به دقت در حسگرها و ساعت‌ها و همچنین کامپیوترهای کوانتومی بسیار قدرتمند اشاره کرد.

مطالب مشابه:

تعریف رسمی یک کیلوگرم تغییر می کند

نظرات

نظری داده نشده است.

نظر شما ارسال شد.