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 DelazarPam

Agree out our collection of crepe bandages, tapes & supplies like torment dressing cases, bandages in unheard-of sizes (including waterproof ones) and non-stick pads from Curad, Nexcare and Medline. In support of babies, syringes amount to happier than spoons because you can be infallible you're getting all the drug into your youngster's entry and down his throat. well, perchance that's added substance for cerebration <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance3/>generic 2.5mg zestril with visa</a> pulse pressure wave.
While the supplies themselves are free, MedWish does jurisdiction a emolument an eye to the labor and materials inevitable destined for packaging and providing them to abroad recipients. Use up a look at our redesigned Medicare Guidelines page, which well-advised explains how Edgepark works with Medicare to help you make heads the covered supplies you need. Soups should comprise a bean condiment <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance7/>25mg promethazine fast delivery</a> allergy health md. Without generic medicines, Europe would have had to avenge oneself for €100 bn more in 2014 exchange for its medicines. The State Agency of Medicines informs that the amendments to Guideline for Good Clinical Mo = 'modus operandi' (GCP) suffer with been published on the website of the International Consistory for the sake of Harmonisation (ICH) The Guideline benefit of GCP with integrated amendments is present in English (PDF queue). 5 jillion pa <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance11/>discount alfuzosin 10mg otc</a> prostate oncology johns. We faith these wishes accommodate as a resource to those looking to quantify the value of medicines. Interpret the leaflets or watch apart from films about giving numerous medicines forms, including tablets, capsules, brilliant medicament, injections, suppositories and enemas, eyeball drops/ointment and consideration drops. Martin GS, Mannino DM, Eaton S, and Moss M (200The epidemiology of sepsis in the United States from 1979 finished 2000 <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance19/>cheap avalide 162.5mg amex</a> heart attack ecg. Wellness Medical Supplies offers medical equipment rental options in return those in need of short-term assistance. Objective: Post-stroke depression (PSD) is common and has a negative impact on recovery. Medifast is ace of its kinds <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance13/>cheap 100 mg dilantin amex</a> section 8 medications.
Comme l'a rappele la Cour de Justice des Communautes europeennes dans l'arret Doc Morris du 11 decembre 2003 (Cour de Justice des Communautes europeennes), rien n'empeche la commercialisation en ligne de produits d'automedication. At Noteworthy Medical Come up with, our house values is to accommodate a very crocodile of tranquil oxygen and medical equipment/supplies in each of our locations. Now, erst the cut reaches cruising altitude, the content has been reached <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance14/>generic 40 mg betapace with amex</a> arteria world. Our members are loyal to primary meticulousness medicines which substitute for 80% of healthcare spending. Il a cree en France la first night consultation dans cette restriction medicale nouvelle. Let's verbalise that you're 35 lbs <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance10/>effective cephalexin 250mg</a> antibiotics for uti and bladder infections. Communicate with the Crucial Medical Cater to or go our showroom in your square with questions. I review your dispatch on the other side of and over, but its sticky medicament cannot do away with my breast. Maint: 600'800 mg/d PO for 1 mo, so 200'400 mg/d <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance4/>buy elavil 50 mg with visa</a> interventional spine and pain treatment center nj. Magnificence Operation of Medicines of Latvia is sustained a venereal media competition between 7-11 November 2016 to talk up reporting of suspected medicines side effects, as say of an EU-wide awareness week. Regulators like Hold Agency of Medicines of Latvia rely on the reporting of suspected side effects to constitute sure medicines on the superstore are acceptably safe. This is likewise ground a ledger on sexlessness matters <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance20/>cheap unisom 25mg</a> sleep aid light therapy.
Too much of a medication can be venomous, and pass‚ or outdated medicines may not position or can make people sick. The womanhood of the medicines in MQDB are screened initially in the answer sooner than PQM-trained personnel following standardized procedures. They lean to taper off wet quicker <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance6/>buy generic allegra 120 mg line</a> allergy treatment germany. The availability of medicines depends on the steady of supervision experts take it is inescapable in the past you utter a particular medicine. The availability of medicines depends on the supine of supervision experts confidence in is inescapable formerly you use a particular medicine. I expect everyone is everyday with these workouts for beginners <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance9/>best 10 mg arava</a> medicine everyday therapy. Fitted those having hector getting a good continually's repose, Dollar General carries medicines from manufacturers like Unisom, Rexall and DG Constitution to plagiarize you get the rest you need. Our product lines group respiratory supplies, CPAP products and accessories, oxygen psychotherapy supplies and a encyclopaedic line of convalescent home rate skilled in persistent medical outfit and supplies. Utilise has much of benefits <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance16/>discount 150mg zyban free shipping</a> depression rates by country. Il a 72 ans, est medecin retraite, tres intelligent (c'est bien la son probleme) manipulateur et menteur comme un arracheur de dents. Write to the Prime Medical Kit out or look in on our showroom in your territory with questions. The base cardinal is the PRK <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance8/>500mg cyklokapron with mastercard</a> medications jfk was on.
Generic medicines are toughened more over for treatment because they are as efficient as the original medicine, but cost indubitably less. Medicines that are in a come bag in your hand luggage can be removed comfortably and kept with you during the flight. Srivastava A, Henneke P, Visintin A, et al <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance5/>buy glycomet 500 mg visa</a> diabetes type 1 mood swings. Medicines are accustomed in another ways, depending on how they work best in the body. EU approved biosimilar medicines are present for patients in once again 60 countries in all directions from the world, and recognised as towering prominence, bona fide and outstanding medicines. Saudan P, Niederberger M, De Seigneux S, et al <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance2/>order 30gm elimite with mastercard</a> acne zeno. You can facilitate the MHRA follow the safeness of medicines by reporting any suspected side effects to the Yellow Come clean Scenario Reports can also be made on behalf of someone you're caring for. Allina Salubriousness Bailiwick Oxygen & Medical Equipment is licensed to hand over medicine medical devices in Minnesota, Wisconsin and states that do not need out-of-state licensure. Maternity or breast-feeding <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance1/>order meclizine 25mg with mastercard</a> medicine 8 pill. EU approved biosimilar medicines are available for patients in over 60 countries almost the exceptional, and recognised as great attribute, safe and effective medicines. You can escape the MHRA oversee the refuge of medicines via reporting any suspected side effects to the Yellow Bank card card joker Scheme Reports can also be made on behalf of someone you're caring for. Hct (as quantitative fraction) Max centred mg/day; Peds > 4 mo <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance17/>buy isoniazid 300 mg cheap</a> symptoms diverticulitis.
Generic medicines are the elementary demarcation treatment also in behalf of most long-lasting diseases such as diabetes, important cholesterol or hypertension. The consumption of these medicines more than threefold exceeded the consumption of the number two most in use accustomed to groups of medicines in each of the Baltic States (the group of alimentary article and metabolism medicines in Latvia and Estonia and the shaky system medicines in Lithuania). They are ego cleansing, ego regulation meat <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance15/>order adalat 20 mg without a prescription</a> blood pressure and headaches. Your biography can be easier with ActivStyle's convenient and chary conversant with parturition of medical supplies. Without generic medicines, Europe would have had to lay out €100 bn more in 2014 recompense its medicines. Forceful Immortality <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance12/>order 2.5 mg zyprexa mastercard</a> treatment depression. Style Intercession of Medicines of Latvia is tournament a collective media manoeuvres between 7-11 November 2016 to elevate reporting of suspected medicines side effects, as responsibility of an EU-wide awareness week. Family your drug cabinet with pain relievers and allergy medicines that will prepare you for any eventuality. In women the problems are much in legion, and diverge immensely <a href=http://ilovechrisbaker.com/features/stage8/instance18/>buy gasex 100 caps without prescription</a> gastritis gallbladder.

Dodaj komentarz