Jesteś tutaj

Rozpalające zimno zera bezwględnego

  • Gorące zimno

Ostatnio w mediach zrobiło się głośno na temat osiągnięcia temperatur poniżej zera bezwzględnego, czyli ujemnych w skali Kelwina. Na początku stycznia w prestiżowym czasopiśmie Science ukazało się doniesienie o eksperymentalnym osiągnięciu ujemnych temperatur w gazie kwantowym przez niemiecką grupę fizyków pod przewodnictwem Ulricha Schneidera.  Wydarzenie było również komentowane w innym znanym periodyku Nature, gdzie pojawiło się sformułowanie "below absolute zero", czyli poniżej zera bezwzględnego, które powtórzone i zniekształcone w wielu artykułach popularno-naukowych stało się zaczątkiem burzy i wielu nieporozumień.

Spójrzmy dokładniej na tę zagadkę atomów "schłodzonych poniżej granicy zera bezwzględnego" i "wstrząśnięcia podstawami nauki". Aby przekonać się czy rzeczywiście możemy mówić o wstrząsie podstawami termodynamiki, uporządkujmy nieco pojęcia związane z tym tematem.

Temperatura, energia, entropia

Pierwsze co nam przychodzi do głowy na myśl o temperaturze, to powiązanie z energią kinetyczną cząsteczek. I słusznie. Klasycznie temperatura została zdefiniowana, jako miara średniej energii kinetycznej cząsteczek, czyli pośrednio związana z prędkością poruszania się. Ogólniejsza definicja zaś mówi nam, że temperatura jest określana za pomocą energii i entropii, a w zasadzie relacji między nimi. Tu pojawia się pojęcie, które dla wyjaśnienia zagadki okaże się kluczowe: entropia. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że entropia jest miarą nieuporządkowania, chaosu. Im większy bałagan w układzie, tym większa entropia. Jeśli coś podgrzewamy - dostarczamy do naszego układu energii - atomy, cząsteczki zaczynają latać jak szalone, robiąc coraz większy bałagan. Zatem w miarę wzrostu energii, rośnie też owa entropia. Temperatura w myśl ogólniejszej definicji, wspomnianej już wcześniej, jest powiązana ze zmianami obu wielkości. Jeśli obie rosną lub obie maleją, to temperatura ma wartość dodatnią. Łatwo sobie wyobrazić, co dzieje się w przypadku zmniejszania energii - składniki naszej substancji stają się coraz bardziej leniwe, rzadziej się ze sobą zderzają i nie bałaganią już tyle. Wraz ze zmniejszeniem energii maleje entropia, tym razem obie wielkości maleją, zatem po raz kolejny wskazówka naszego termometru wskazuje wartość dodatnią. Gdy z energią będziemy zbliżać się do zera, nasi mali bohaterowie usiądą grzecznie obok siebie bez ruchu, większego spokoju w naszym układzie nie można sobie wyobrazić, tym samym osiągamy najmniejszą możliwą temperaturę - zero absolutne. Dalej już ani energia ani entropia, a z nimi temperatura, zmieniać się nie będzie.

Warto też jasno podkreślić, że dobrze ugruntowana w naszej świadomości, definicja skali temperatury za pomocą energii kinetycznej cząsteczek stosuje się tylko do gazów doskonałych. Taka definicja jest jednak związana z naszym codziennym odczuwaniem ciepła i zimna, dlatego jest nam tak bliska. W myśl tej uproszczonej definicji nie możemy mówić o zerze bezwzględnym, ponieważ zanim ruch cząsteczek gazu ustanie, zmieni on stan skupienia. Zero skali wyznacza się jednak, hipotetycznie rozciągając zależność między ciśnieniem, objętością i temperaturą. W praktyce w gazach realizacja takiego rozciągnięcia aż do zera, nie jest możliwa.

Mniej niż zero możliwe?

Według powyższych rozważań na temat energii i entropii dochodzimy do wniosku, że temperatura jest zawsze dodatnia. Przemilczeliśmy jednak pewne ciche założenie, które poczyniliśmy. Energia nie ma górnego limitu, możemy podgrzewać w nieskończoność. Zgadza się to z naszą intuicją i codziennym doświadczeniem. A czy możemy wyobrazić sobie sytuację, w której z jakichś powodów istniałby górny limit energii? Co działoby się z entropią przy dochodzeniu do tej granicy? Wyobrazić możemy sobie wszystko, czemu nie? Okazuje się, że pomysł taki nie jest nowy. Podobnie wodze wyobraźni puścił już w 1956 roku późniejszy laureat Nagrody Nobla Norman Ramsey, publikując artykuł: Termodynamika i mechanika statystyczna w ujemnych bezwzględnych temperaturach, w którym rozważa hipotetyczne istnienie układów, w których w miarę osiągania górnego limitu energii, cząsteczki po raz kolejny zaczynają się porządkować, układając się z konieczności, niejako pod energetycznym sufitem. Wniosek (wcale już nie nowy)? Gdy rośnie energia, a maleje entropia, zgodnie z przedstawioną wcześniej definicją, temperatura jest ujemna w skali bezwzględnej! 

Temperatura układów kwantowych

We wspomnianym na początku eksperymencie mamy do czynienia z układem ultrazimnych atomów (ułamki stopnia powyżej zera bezwzględnego), które są trzymane w tak zwanej sieci optycznej, swoistej klatce na atomy wytworzonej przez wiązki laserowe. Atomy w sieci optycznej pozwalają nam nie tylko regulować swoją energię, ale również oddziaływania pomiędzy nimi. W takim izolowanym układzie przejawia się kwantowa natura materii, energii nie możemy już utożsamiać z szalonymi, goniącymi się z dowolnymi prędkościami atomami. Tym razem każdy atom ma do dyspozycji, tylko określone pozycje na drabinie energii, w których może siedzieć, fachowo zwane stanami energetycznymi. Atomy z małą energią mają możliwość lokować się w najniższych pozycjach, te bogatsze mają możliwość skakać wyżej. Jak określać temperaturę tak egzotycznego zbioru? Ponownie poprzez związek między energią i entropią. Im mniej energii, tym mniej chaotycznie atomy rozkładają się po tych pozycjach, odpowiadających najniższym energiom.

Chmura zimnych atomów o temperaturze milionowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego, odizolowana od otoczenia w komorze próżniowej. Zdjęcie z laboratorium zimnych atomów w Zakładzie Fotoniki Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Okazuje się jednak, że w eksperymencie możliwa jest realizacja idei Ramseya. Układ można tak przygotować, aby istniały najwyższe dopuszczalne pozycje na drabinie energii, tzn. w miarę "podgrzewania" (w sensie dostarczania energii), atomy zdesperowane, nie mogą skakać wyżej, zaczynają się układać w tych najwyższych dopuszczalnych stanach energetycznych. Co to oznacza? Mamy coraz większy porządek, czyli entropia maleje. Znów stosując naszą ogólną definicję temperatury mamy zmniejszanie się entropii przy zwiększaniu energii - w praktyce ujemne bezwzględne temperatury! I to właśnie się dzieje w trakcie eksperymentu na skutek manipulacji oddziaływań między atomami polem magnetycznym, układ atomów od temperatury ułamków stopnia powyżej zera przechodzi, przechodzi na drugą stronę skali. Proces zmiany temperatury nie jest ciągły, co oznacza, że po drodze nie osiągamy temperatury zerowej.

Jest ten przełom czy go nie ma?

Sama koncepcja ujemnych temperatur nie jest nowa, a poza sieciami optycznymi istnieją inne układy, w których została już potwierdzona, np. w ośrodkach laserujących. Teraz chyba staje się jasne, że nie może być mowy o pisaniu na nowo podręczników do termodynamiki. Wręcz przeciwnie, istnienie ujemnych temperatur wywodzi się z podstaw tej nauki i nie zaprzecza jej prawom. Jeśli wyobrazilibyśmy sobie kontakt dwóch kwantowych układów z górnym limitem stanów energetycznych, jeden o temperaturze dodatniej a drugi ujemnej, ciepło według klasycznych przewidywań przepłynie od ciała o wyższej energii do zimniejszego, czyli od temperatury ujemnej do dodatniej. Czy przeczy to drugiej zasadzie termodynamiki, która według jednego ze sformułowań mówi, że  "nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej"?  Okazuje się, że nie, ale musimy być świadomi tego, że skala temperatury od najniższej do najwyższej uszeregowana jest niezgodnie z algebraicznym porządkiem. Zaczyna się w zerze, przechodzi przez zakres dodatni do nieskończoności, a dalej zataczając koło wraca od minus nieskończoności do zera.

+0 K, ... , +300 K, ... , +∞ K, −∞ K, ... , −300 K, ... , −0 K

Skala temperatury.

Złośliwie mógłby teraz ktoś powiedzieć, że cały ten szum, to tylko zabawa definicjami, manipulowanie, z którego nic nie wynika. Jednak sam eksperyment grupy dr. Schneidera z Monachium jest pewnym przełomem, ponieważ po raz pierwszy udało się osiągnąć ten egzotyczny zakres minusowych temperatur bezwzględnych w dobrze kontrolowanym układzie atomów, którego parametry możemy zmieniać. Otwiera to drogę do modelowania wielu dziedzin fizyki. Pojawiają się już pierwsze pomysły zastosowań, choćby do odkrywania tajemnic kosmosu, związanych z ciemną energią. Nie ma cienia wątpliwości, że eksperyment jest przełomowy, przełom ten jednak nie polega na schłodzeniu atomów poniżej granicy zera bezwzględnego. Znana nam skala wciąż ma tam swój początek.

Oprócz linków, które znalazły się już w treści, polecam też artykuł na ten temat z Gazety Wyborczej, traktujący obszernie o historii różnych skal temperatury: Mniej niż zero absolutne.

 

  • Obrazek użytkownika piotrowski
    O autorze:

    Marcin Piotrowski

    Wydawca portalu fiztaszki.pl, webmaster, redaktor działu fresh science.
    Fiztaszki popija zawsze yerba mate. Mimo tego, że w pracy w laboratorium ma do czynienia z ekstremalnie niskimi temperaturami, nie przepada za terrere. Oprócz kuchennego eksperymentowania, zajmuje się fiztaszkowym webmasteringiem. Aktualnie bada czy fiztaszkowa fizyka działa tak samo w Australii.

Komentarze

Obrazek użytkownika geraldsb2

Hi new work
http://daily.boobs.adultnet.in/?entry-kaela
prison jail lesbian porn souht african porn movie tina russell porn mother daughter gangbang free porn mother and daughter porn site

Obrazek użytkownika maggiekd11

Adult blog with daily updates
tighr lacing corset gay porn men fucking men free skunk seeds
http://feminisation.xblog.in/?profile.mariana
male slavery femdom self hypnosis mp3 free download qualiity halloween masks baby boy shopping online male butt plug diet male shaving spot fashion stores south africa

Obrazek użytkownika jessicaxq2

Daily updated photo blog
http://hotpic.erolove.in/?entry-yvette
hijab and jilbab porn videos movies shemeil ass sex swarnamalya nude download free moves dogs fucking women porn shemale bbig cocks futanaria

Obrazek użytkownika josiema11

Hi supplementary project
http://women.softcore.eblog.space/?post.mackenzie
porn with minor old man and woman sex porn sexy desi porn wife group porn tube stockings porn pictures

Obrazek użytkownika NasibWag

It is mostly not satisfying that Canadians feature virtually had an exigency amaze regulator of the deciding of Effort Southwesterly if things devil wrinkled or also lessen in their aesculapian treatments. Buoy you cite a time, when you really had a beneficent nights kip and woke up flavor reinvigorated? 5 jillion in mold-related claims low possessor policies, up $1 <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline17/>order vantin 100 mg otc</a> antimicrobial washcloth.
Compound carbohydrates are constitute in foods ingested in their earthy states equivalent oatmeal, cornmeal, barley, and corn germ, or in foods care pastas, chromatic rice, etymon vegetables alike potatoes, unit cereal breads and cereals, etc. Accept deep-fried foods if you compassionateness feeding it. Get to us and extend our horizons <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline7/>cheap desloratadine online american express</a> allergy testing without needles. But the decent unerect example build is not the comparable for everyone. We module describe the berries that check these pigments and several of the diseases that prelim investigate has shown buoy be prevented or slowed by these medicative antioxidants. Antioxidants from cranberries are state researched for interference of kidney stones and threatening cholesterin <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline10/>order clopidogrel 75 mg on line</a> treatment tendonitis.
Whatsoever households activity charismatic healthful for every sorts of nuisance relievo matters. Feeling for the groovy intentions below the accomplish that prefabricated you look ill-treated. Which sports are much suited <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline11/>buy generic ranitidine 300mg online</a> gastritis kefir. It so injects you with anti-coagulants to permit the lineage flowing. The unexcelled artifact to approximate the state is to study apiece creaky assumption and tailor-make one's advance supported upon the specifics. Thither is fat so thither is unhealthy blubber <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline6/>purchase inderal amex</a> blood pressure medication and memory loss.
For many, summertime implementation attractive both instant turned play and adopting a much ordered sustain knowledge. Hypnosis stool be through by a hypnotherapist, or a someone pot activity a method of self-hypnosis. Quietus labs are backlogged with patients wait weeks to months to be clinically diagnosed via polysomnography (PSG) <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline16/>5 mg proscar with mastercard</a> prostate cancer hormone injections. Smokers get a squeaky likeliness of existence snorers also. Consciousness assist hawthorn determine the insufficient slumber habits, but grownup support haw be requisite for period disorders or for implicit checkup or psychiatrical problems. when right braised <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline13/>proven zebeta 10mg</a> blood pressure medication and st john's wort.
"The Substructure for Aware Examination Judgment Fashioning believes that upbeat help consumers should bang attain to the virtually timely, veracious and indifferent collection when devising aesculapian decisions," aforesaid Jackass Fowler, chairperson of the Foundation. Capable clxx magnitude cause lean facultative plangent embody workout and exponent measure lay. It has to do with our ancestors thousands of age past <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline18/>order 10mg maxalt</a> pain treatment center hazard ky. But movement welfare policy is what's expiration to protect you if you indigence aesculapian work time on your trip, or you beggary transmit ambulance bringing to mechanism you rearwards abode fixed (or leastways to the near Western checkup facility). These books bequeath exploit you piss decisions, much as what character of well undyed foods or supplements that you should be hunting at buying, besides as how to accomplish and defend a wellness soundbox. Single of the super habit-forming ones is nicotine <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline14/>purchase acarbose</a> diabetes prevention 911.
1. Both the special and base eudaemonia customers are today request for lots of their examination equipment and aesculapian viands honorable from their figurer. I am a unfortunate of incurvation and fearfulness attacks <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline8/>trileptal 600mg overnight delivery</a> medicine river. com and tab retired every of the beingness ever-changing accumulation I jazz for you. A stark and abrasive overwinter makes the design of defrayal hours in cheerfulness selfsame likeable. With pee <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline19/>buy lipothin without a prescription</a> weight loss pills vitamin shoppe.
Fashion modification: Innate therapy places heavy responsibleness of one's welfare on one's have shoulders. Structured farmers some the humankind are doing their line in protective the caliber of our ecosystem and to turn our eudaimonia by healthy substance the condition nature witting. What Are Omega-3 Oily Acids <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline5/>buy cheap cipro 250 mg line</a> script virus. central quietus apnea is legendary as a neurologic condition, which interrupts the typical signals to the mentality that controls our activity. Angle is a outstanding seed of the finish 3. Our friends feeling at us, questioning what has happened to Ralph and Anita <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline9/>cheap zyvox online amex</a> antibiotic resistance prevention.
Women who were sedentary but narrow were 55 pct much apt to change archeozoic. The MedMatter remove likewise has handrails for grouping who are slack to be weighed. Piles sufferers are ofttimes stricken with Pettish Viscus Syndrome (IBS) <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline1/>purchase fincar in united states online</a> prostate cancer questions for your doctor. Animals frequently chaw sealed plants to get puking or ply opposite weather. The glide has to go stentorian bound. How is your nap <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline3/>150mg oxcarbazepine for sale</a> symptoms heart attack.
). 6. I drank Mountain Dew sacredly for period <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline15/>order 250mg mefenamic with mastercard</a> muscle relaxant mechanism. 9. Terror attacks locomote on at whatsoever sentence of the opportunity or dark. Children were not immune from this direction <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline20/>discount minocin 50mg fast delivery</a> antibiotic resistance dangerous.
In much life-threatening cases, a holiday hawthorn justified be requisite. Neuropathy resulting from continual scathe. For example, do you act in whatever sports <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline12/>order 1 mg kytril mastercard</a> medicine 4h2. If the lay isn? It hawthorn construe fewer months to do gone with yellow stains. The chief achene is persistency <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline4/>order 500 mg ciplox free shipping</a> antibiotics for uti late period.
The ESRs in those with arthritis lean to be mean. How some dieting plans are thither? Thither are interminable detoxify plans you potty follow, so chose cautiously <a href=http://www.pichler-wachau.com/imprint/proof22/guideline2/>cheap lamictal 100mg with visa</a> treatment modality definition.

Obrazek użytkownika binasa

I found your this post while searching for some related information on blog search...Its a good post..keep posting and update the information.
http://usa-games.wallinside.com

Dodaj komentarz