Temperaturen sind in der Regel relativ – die Luft ist unter dem Gefrierpunkt, ihr Fieber liegt über dem Normalwert. Aber Wissenschaftler erforschen die extremen Enden des Spektrums der so genannten absoluten Temperatur: An der oberen Grenze ist es absolut heiß, ein theoretischer Ofen, in dem die Gesetze der Physik verschwinden. Auf der anderen Seite ist der absolute Nullpunkt – eine Kälte, die so kalt ist, dass es nur noch aufwärts geht – für die Wissenschaftler fast zum Greifen nah.

Um ihn zu verstehen, braucht man zunächst ein paar Grundkenntnisse der Physik. Die Atome, aus denen die Materie besteht, sind immer in Bewegung. Die Temperatur misst die kinetische Energie dieser Atome, also die Bewegungsenergie. Je schneller sie sich bewegen, desto höher ist ihre Temperatur. Der absolute Nullpunkt ist jedoch fast perfekte Stille.

Nichts im Universum – oder in einem Labor – hat jemals den absoluten Nullpunkt erreicht, soweit wir wissen. Selbst der Weltraum hat eine Hintergrundtemperatur von 2,7 Kelvin. Aber wir haben jetzt eine genaue Zahl dafür: -459,67 Fahrenheit, oder -273,15 Grad Celsius, was beides 0 Kelvin entspricht.

Die verschiedenen Materialien können unterschiedlich kalt werden, und die Theorie besagt, dass wir den absoluten Nullpunkt nie erreichen werden. Aber mit einem ganzen Arsenal an neuen Werkzeugen und Techniken kommen die Wissenschaftler diesem Tiefpunkt immer näher.

(Credit: Alison Mackey/Discover)

(Credit: Fouad A. Saad/)

Warum das wichtig ist: Superfluide und andere Materialgewinne

  • Bose-Einstein-Kondensat (BEC): Im Jahr 1995 beobachteten Physiker der University of Colorado Boulder das BEC, einen fünften Zustand der Materie, der nur innerhalb eines Bruchteils des absoluten Nullpunkts existiert. Bei einer so niedrigen Temperatur überlappen sich die einzelnen Atome so sehr, dass sie in einen einzigen Quantenzustand kollabieren, in dem sie gemeinsam als eine einzige Einheit agieren. Die Entdeckung des BEC eröffnete ein neues Wissenschaftsgebiet, in dem Physiker das Verhalten von Quanten erforschen können.

  • Quantencomputer: Anstatt sich auf Bits zu verlassen, die 1en und 0en, die normale Computer verwenden, benutzen Quantencomputer Qubits, um Berechnungen durchzuführen. Theoretisch können diese Maschinen Probleme viel schneller lösen als die heutigen Computer. Damit sie funktionieren, müssen ihre Atome oder Moleküle jedoch auf ein paar Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, einem Bereich, in dem die Quanteneigenschaften nicht durch das elektrische Rauschen verloren gehen, das durch Wärme entstehen kann.

  • Materielle Seltsamkeiten: Wenn Helium kalt wird, wird es seltsam: Es kann reibungsfrei durch enge Röhren gleiten, Ströme für lange Zeit aufrechterhalten und an den Seiten eines Behälters hinauf und hinüber fließen. Wissenschaftler bezeichnen es – und einige andere ultrakalte Gase wie BEC – als Superfluid. In den letzten Jahren wurde vermutet, dass Superfluide in Neutronensternen vorkommen könnten, den kleinen, dichten Überbleibseln von Supernovas, die nicht massiv genug sind, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Superfluide haben auch zur Entdeckung von Supersoliden geführt, die die seltsame Eigenschaft haben, durch sich selbst zu fließen. Mit diesen Materialien können Wissenschaftler grundlegende Geheimnisse der Natur erforschen.

Der kälteste natürliche Ort im Universum

Auch wenn die Temperaturen auf der dunklen Seite des Mondes und in den schattigen Kratern des Pluto sinken, erscheinen diese Orte im Vergleich zum Bumerangnebel mild. Etwa 5.000 Lichtjahre entfernt liegt dieses Sternensystem nur 1 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.

Obwohl die Temperaturen auf der dunklen Seite des Mondes und in den schattigen Kratern des Pluto stark sinken, wirken diese Orte im Vergleich zum Bumerangnebel mild. Dieses etwa 5.000 Lichtjahre entfernte Sternensystem liegt nur 1 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. (Credit: R. Sahai und J. Trauger (JPL), NASA/ESA)

Wie man dorthin kommt: Lassen Sie sich von Lasern leiten

Um an den absoluten Nullpunkt heranzukommen, haben Wissenschaftler in aufwendigen Experimenten Vakuum und Laser eingesetzt, um Gasatome zu kühlen. Ein Vakuum kann ein Gas kühlen, ohne dass es zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff kondensiert – wie es normalerweise der Fall wäre -, aber die Atome bewegen sich trotzdem. Hier kommen die Laser ins Spiel.

Um ein Atom zu kühlen, kreuzen sich eine Reihe von Lasern, um seinen Schwung zu verlangsamen. (Credit: Laboratoire Kastler Brossel)

Wenn ein Atom ein Lichtteilchen, ein Photon, aus einem Laser absorbiert, sendet es ein weiteres Photon aus. Wenn die Physiker die Laser genau richtig einstellen, absorbiert ein Atom, das sich in eine Richtung bewegt, ein Photon und sendet dann ein weiteres in eine andere Richtung und mit einer höheren Energie aus. Das Atom wird dann Photon für Photon langsamer. Indem die Forscher ein Atom im Fadenkreuz mehrerer Laser einfangen, können sie seinen Impuls aus jeder Richtung verringern. Diese Technik, die erstmals in den 1970er Jahren eingesetzt wurde, wird als Laserkühlung bezeichnet.

(Credit: Alison Mackey/Discover)

Aber es gibt eine Möglichkeit, noch tiefer zu gehen. Mit der so genannten Verdunstungskühlung werden die energiereichsten Atome eines Gases abgeschöpft – wie bei einer Suppe, die durch Abgabe von Wärme in Form von Dampf gekühlt wird. Durch eine neuartige Kombination von Lasern und Verdunstungskühlung haben Wissenschaftler Gase auf etwa 50 Billionstel über 0 Kelvin abgekühlt. Das ist zwar nicht der Nullpunkt, aber nahe dran.

Wissenschaftler setzen aufwendige Lasereinrichtungen wie diese ein, um tiefgekühlte Atome zu untersuchen. Die eiskalte Materie gibt Einblicke in das Quantenverhalten. (Credit: Laboratoire Kastler Brossel)

Race to the Bottom

1926: Chemiker beschreiben erstmals eine Methode, die sogenannte adiabatische Entmagnetisierung, bei der Magnetfelder zur Abkühlung von Materialien unter 1 Kelvin eingesetzt werden. Im Jahr 1933 kühlen Wissenschaftler damit ein Salz auf 0,25 Kelvin ab. Das ist niedrig, aber nicht so niedrig, wie die Laserkühlung gehen kann.

1978: Die erste Demonstration der Laserkühlung bringt Materialien auf 40 Kelvin; 10 Jahre später nutzen Physiker die Laserkühlung, um 43 Millionstel Kelvin zu erreichen.

1997: Drei Physiker teilen sich den Nobelpreis für die Erfindung der Laserkühlung.

2015: Forscher der Stanford University kühlen ein Gas aus Rubidium – ein weiches Metall, das zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird – auf 50 Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und stellen damit einen neuen Rekord auf.

2017: Physiker am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, kühlen eine Aluminiummembran auf 0,00036 Kelvin ab, was niedriger ist als die Theorie für das Material vorhersagt. Das Experiment zeigt einen Weg auf, Quanteneffekte zu beobachten, z. B. ein einzelnes Objekt, das an zwei Orten gleichzeitig existiert.

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