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.

Dodaj komentarz