Hva er absolutt null i vitenskap?

REKINC1980 / Getty Images

Absolutt null er definert som punktet der det ikke lenger er varme kan fjernes fra et system, ifølge absolutt eller termodynamisk temperaturskala. Dette tilsvarer null Kelvin , eller minus 273,15 C. Dette er null på Rankine-skalaen og minus 459,67 F.

Den klassiske kinetiske teorien antyder at absolutt null representerer fraværet av bevegelse av individuelle molekyler. Imidlertid viser eksperimentelle bevis at dette ikke er tilfelle: Snarere indikerer det at partikler ved absolutt null har minimal vibrasjonsbevegelse. Med andre ord, mens varme kanskje ikke fjernes fra et system ved absolutt null, representerer ikke absolutt null den lavest mulige entalpitilstanden.

I kvantemekanikk representerer absolutt null den laveste indre energien til fast stoff i grunntilstanden.

Absolutt null og temperatur

Temperatur brukes til å beskrive hvor varmt eller kaldt et objekt er. Temperaturen til et objekt avhenger av hastigheten som atomene og molekylene svinger med. Selv om absolutt null representerer svingninger ved deres laveste hastighet, stopper deres bevegelse aldri helt.

Er det mulig å nå absolutt null

Det er så langt ikke mulig å nå absolutt null - selv om forskere har nærmet seg det. National Institute of Standards and Technology (NIST) oppnådde en rekordkald temperatur på 700 nK (milliarddeler av en kelvin) i 1994. Forskere fra Massachusetts Institute of Technology satte ny rekord på 0,45 nK i 2003.

Negative temperaturer

Fysikere har vist at det er mulig å ha en negativ Kelvin (eller Rankine) temperatur. Dette betyr imidlertid ikke at partikler er kaldere enn absolutt null; snarere er det en indikasjon på at energien har gått ned.

Dette er fordi temperaturen er a termodynamisk mengde relatert til energi og entropi. Når et system nærmer seg sin maksimale energi, begynner energien å avta. Dette skjer bare under spesielle omstendigheter, som i kvasi-likevektstilstander der spinn ikke er i likevekt med et elektromagnetisk felt. Men slik aktivitet kan føre til en negativ temperatur, selv om energi tilføres.

Merkelig nok kan et system med negativ temperatur betraktes som varmere enn et system med positiv temperatur. Dette er fordi varme er definert i henhold til retningen den strømmer i. Normalt, i en verden med positiv temperatur, strømmer varmen fra et varmere sted, for eksempel en varm komfyr, til et kjøligere sted, for eksempel et rom. Varme vil strømme fra et negativt system til et positivt system.

3. januar 2013 dannet forskerne en kvantegass bestående av kalium atomer som hadde en negativ temperatur når det gjelder bevegelsesfrihetsgrader. Før dette, i 2011, demonstrerte Wolfgang Ketterle, Patrick Medley og teamet deres muligheten for negativ absolutt temperatur i et magnetisk system.

Ny forskning på negative temperaturer avslører ytterligere mystisk oppførsel. For eksempel har Achim Rosch, en teoretisk fysiker ved Universitetet i Köln, i Tyskland, beregnet at atomer ved en negativ absolutt temperatur i et gravitasjonsfelt kan bevege seg 'opp' og ikke bare 'ned.' Gass under null kan etterligne mørk energi, som tvinger universet til å utvide seg raskere og raskere mot gravitasjonskraften innover.

Kilder

Merali, Zeeya. Kvantegass går under absolutt null. Natur , mars 2013. doi:10.1038/nature.2013.12146.

Medley, Patrick, et al. ' Spin Gradient Demagnetization Avkjøling av ultrakalde atomer .' Physical Review Letters, vol. 106, nr. 19. mai 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.