Teplota bývá relativní – vzduch je pod bodem mrazu, její horečka je nad normálem. Vědci však zkoumají extrémní konce spektra, kterému se říká absolutní teplota: Na horní hranici je absolutní horko teoretickou pecí, kde se fyzikální zákony rozplývají. Na opačné straně je absolutní nula – takový mráz, že už není kam jít, jen nahoru -, kterou mají vědci téměř na dosah.

K tomu, abyste ji pochopili, potřebujete nejprve něco z fyziky 101. Atomy, které tvoří hmotu, se neustále pohybují. Teplota měří kinetickou energii těchto atomů neboli energii pohybu. Čím rychleji se pohybují, tím vyšší je jejich teplota. Absolutní nula je však téměř dokonalý klid.

Nic ve vesmíru – ani v laboratoři – nikdy nedosáhlo absolutní nuly, pokud víme. Dokonce i vesmír má teplotu pozadí 2,7 kelvinu. Nyní však pro ni máme přesné číslo: -459,67 Fahrenheita neboli -273,15 stupně Celsia, což se obojí rovná 0 kelvinům.

Různé materiály se liší v tom, jak chladné mohou být, a teorie naznačuje, že se nikdy nedostaneme na absolutní nulu. Díky arzenálu nových nástrojů a technik se však vědci stále více přibližují k dosažení tohoto dna.

(Kredit: Alison Mackey/Discover)

(Kredit: Fouad A. Saad/)

Proč je to důležité: Superfluidy a další hmotné zisky

  • Boseho-Einsteinův kondenzát (BEC): V roce 1995 fyzikové z Coloradské univerzity v Boulderu pozorovali BEC, pátý stav hmoty, který existuje pouze ve zlomku absolutní nuly. Při takto nízké teplotě se jednotlivé atomy překrývají natolik, že se zhroutí do jediného kvantového stavu, v němž společně působí jako jediná entita. Objev BEC otevřel novou vědní oblast, v níž mohou fyzikové zkoumat kvantové chování.

  • Kvantové počítače: Kvantové počítače místo bitů, tedy jedniček a nul, které používají běžné počítače, používají k výpočtům qubity. Teoreticky mohou tyto stroje zdolávat problémy mnohem rychleji než dnešní počítače. Aby však mohly fungovat, musí být jejich atomy nebo molekuly ochlazeny na několik setin stupně nad absolutní nulu, což je oblast, kde se kvantové vlastnosti neztrácejí v elektrickém šumu, který může vytvářet teplo.

  • Materiálové podivnosti: Když se helium ochladí, začne být podivné: může bez tření klouzat úzkými trubkami, udržovat proudy po dlouhou dobu a proudit nahoru a přes stěny nádoby. Vědci ho – a některé ultrachladné plyny, jako je BEC – popisují jako supratekutý plyn. V posledních letech se domnívají, že supratekuté látky mohou existovat v neutronových hvězdách, malých, hustých pozůstatcích supernov, které nejsou dostatečně hmotné na to, aby vytvořily černou díru. Supertekutiny vedly také k objevu supratekutin, které mají tu zvláštní vlastnost, že mohou proudit samy skrz sebe. Tyto materiály umožňují vědcům zkoumat základní tajemství přírody.

Nejchladnější přírodní místo ve vesmíru

Ačkoli teploty na temné straně Měsíce a ve stinných kráterech Pluta prudce klesají, ve srovnání s mlhovinou Bumerang vypadají tyto lokality jako balzám. Ve vzdálenosti asi 5 000 světelných let od nás má tento hvězdný systém teplotu jen 1 kelvin nad absolutní nulou.

Ačkoli teploty na temné straně Měsíce a ve stinných kráterech Pluta prudce klesají, ve srovnání s mlhovinou Bumerang vypadají tyto lokality jako balzám. V tomto hvězdném systému vzdáleném asi 5 000 světelných let je teplota jen 1 kelvin nad absolutní nulou. (Kredit: R. Sahai a J. Trauger (JPL), NASA/ESA)

Jak se tam dostat:

Aby se vědci přiblížili k absolutní nule, použili při složitých experimentech vakuum a lasery, aby ochladili atomy plynu. Vakuum dokáže ochladit plyn, aniž by došlo k jeho kondenzaci na kapalinu nebo pevnou látku – k čemuž by normálně došlo – ale jeho atomy se stále pohybují. K tomu slouží lasery.

Při ochlazování atomu se kříží řada laserů, které zpomalují jeho hybnost. (Kredit: Laboratoire Kastler Brossel)

Když atom pohltí světelnou částici neboli foton z laseru, vyzáří další foton. Když fyzikové naladí lasery správným způsobem, atom pohybující se jedním směrem pohltí jeden foton a poté vyzáří další v jiném směru a s vyšší energií. Atom se pak foton po fotonu zpomalí. Když se atom dostane do hledáčku více laserů, mohou vědci snížit jeho hybnost z každého směru. Tato technika, poprvé použitá v 70. letech 20. století, se nazývá laserové chlazení.

(Kredit: Alison Mackey/Discover)

Ale existuje způsob, jak jít ještě níže. Technika zvaná odpařovací chlazení odčerpává atomy plynu s nejvyšší energií – podobně jako polévkové chlazení uvolňuje teplo ve formě páry. Díky nové kombinaci laserů a odpařovacího chlazení se vědcům podařilo ochladit plyny asi na 50 triliontin nad 0 kelvinů. Není to nula, ale je to blízko.

Vědci používají ke studiu superchlazených atomů složitá laserová zařízení, jako je toto. Chladná hmota umožňuje nahlédnout do kvantového chování. (Kredit: Laboratoire Kastler Brossel)

Závod ke dnu

1926: Chemikové poprvé popisují metodu zvanou adiabatická demagnetizace, která využívá magnetické pole k ochlazení materiálů pod 1 kelvin. V roce 1933 ji vědci používají k ochlazení soli na 0,25 kelvinu. To je nízká teplota, ale ne tak nízká, jakou může dosáhnout chlazení laserem.

1978: O 10 let později dosáhli fyzikové pomocí laserového chlazení 43 miliontin kelvinu.

1997: Tři fyzikové se dělí o Nobelovu cenu za vynález laserového chlazení.

2015: Vědci ze Stanfordovy univerzity ochlazují plyn z rubidia – měkkého kovu používaného k výrobě solárních článků – na 50 biliontin stupně nad absolutní nulou, čímž stanovují nový rekord.

2017: Fyzikové z Národního institutu pro standardy a technologie v coloradském Boulderu ochladili hliníkovou membránu na 0,00036 kelvinu, což je nižší hodnota, než jakou pro tento materiál předpokládala teorie. Experiment naznačuje způsob, jak pozorovat kvantové efekty, například koexistenci jednoho objektu na dvou místech najednou.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *