Mada teorijski ništa ne može biti hladnije od nula stepeni Kelvinove skale, grupa nemačkih fizičara je uspela da napravi i „negativnu temperaturu“
Tekst: Boris Klobučar
Nedavno je grupa istraživača sa Univerziteta „Ludvig Maksimilijan“ u Minhenu, sa doktorom Urlihom Šnajderom na čelu, uspela da prvi put u laboratoriji dobije gas atoma čija je temperatura niža od apsolutne nule. Ovo je svakako važan trenutak za fizičare, pre svega zbog toga što teorijski ništa ne može biti hladnije od nula stepeni Kelvinove skale.
Međutim, nije sve baš tako jednostavno. Negativna temperatura nije smrznuti gas na kom se hvataju ledenice kao na niskim temperaturama sa kojima se susrećemo, već nešto sasvim drugačije. U pitanju su energije čestica datog sistema.
Ali, pre svega, moramo razjasniti o kojoj skali govorimo kad pričamo o negativnoj temperaturi. Naime, rečenice kao „voda mrzne ispod 0◦C“ ili „temperatura u planinskim predelima danas dostiže i -20◦C“ mogu se pročitati u udžbeniku iz fizike ili čuti u vremenskoj prognozi. Mora se napomenuti da su ove temperature date na Celzijusovoj temperaturnoj skali, koja mnogo češće upotrebljava u svakodnevnom životu.
Fizičari, međutim, umesto Celzijusove, koriste Kelvinovu temperaturnu skalu, čija se nula nalazi na -273,15 ◦C, gde čestice nemaju nikakvu energiju, odnosno ne kreću se. Imajući to u vidu, navedena vest dobija na značaju.
LASERSKO HLAĐENJE
Još 1848. godine lord Kelvin je osmislio temperaturnu skalu na taj način da ne može postojati temperatura manja od apsolutne nule. Ona predstavlja teorijsko stanje u kom čestice materijala nemaju nikakvu kinetičku energiju, a povećanje temperature predstavlja povećanje srednje vrednosti energije kretanja svih čestica. Kako je onda moguće da se bilo kakve čestice nađu u stanju sa negativnom temperaturom u Kelvinima?
Kako su dr Šnajder i njegov tim u tome uspeli? Kao sistem koristili su ultrahladan gas atoma kalijuma, na temperaturi tek nešto iznad apsolutne nule, u vakuumu. Koristeći lasere i magnetno polje, postavili su atome u formu rešetke u kojoj se oni međusobno odbijaju. Ovo predstavlja sistem u osnovnom energetskom nivou, na vrlo niskoj temperaturi. Vakuum služi kako bi ceo sistem bio energetski izolovan od okoline.
Naučnici su potom veoma brzo podesili magnetno polje tako da se čestice međusobno privlače, umesto da se odbijaju. Time su one dovedene iz stanja sa minimumom energije u visoko energetsko stanje pre nego što uspeju da odreaguju. Sa pozitivnom temperaturom ovakav skok bi bio veoma nestabilan i atomi bi se međusobno privukli. Međutim, sistem lasera raspoređuje energije tako da atomi ostaju na mestu. Kao rezultat, gas atoma prelazi iz stanja sa temperaturom iznad apsolutne nule u stanje sa milijarditim delom Kelvina ispod apsolutne nule.
ČESTICE NA BRDU
Ceo eksperiment se može objasniti i na malo drugačiji način. Već smo rekli da na 0 ◦K čestice gasa nemaju kinetičku energiju, odnosno miruju. Povećanjem temperature sve veći broj čestica dobija višu energiju i prelazi u viša energetska stanja.
Prelaskom u više nivoe, što očitavamo kao rast temperature, povećava se stepen neuređenosti sistema, odnosno entropija. Kako se gas zagreva, povećava se srednja energija čestica, pa neke od njih dobijaju mnogo energije, dok druge dobijaju manje.
Zamislimo ovu situaciju kao jedno brdo, na koje čestice pokušavaju da se popnu. One sa više energije će stići do vrha, one sa manje će se raspodeliti po padini, a biće i onih koje su u dolini.
Najviša moguća pozitivna temperatura predstavlja stanje sistema sa najvećim stepenom neuređenosti. To znači da su čestice jednako raspoređene po našem energetskom brdu.
Dalje smanjenje temperature bi značilo smanjenje entropije, tj. ponovno uređivanje sistema. Distribucija energije bi bila obrnuta, sa većim brojem čestica na višem energetskom nivou (na vrhu brda) nego u osnovnom stanju, čime bismo dobili početak negativne temperaturne skale.
TAMNA STRANA
Gasovi sa negativnom temperaturom mogli bi se pokazati kao izuzetan alat u rukama fizičara. Hladni atomi se već koriste pri simulaciji interakcija nekih subatomskih četica, a negativne temperature bi mogle pokazati neke događaje koji su nemogući na pozitivnim temperaturama.
Materijali sa negativnom temperaturom su jedno od mogućih rešenja za visokoefikasne motore. Savladavanju apsolutne nule najviše se ipak raduju naučnici koji se bave kosmološkim istraživanjima.
Tamna energija, za koju se pretpostavlja da je odgovorna za širenje univerzuma ima negativan pritisak, što bi kao posledicu moglo da ima negativnu temperaturu.
Ovo bi moglo da objasni kako, uprkos gravitacionoj sili koja privlači sve čestice međusobno, one bivaju odbijene kao u Šnajderovom eksperimentu. Objašnjavanje koncepta tamne energije i negativne temperature je veliki korak ka razumevanju našeg univerzuma.
Temperaturu sistema uvek očitavamo imajući u vidu verovatnoću da će čestice imati određenu energiju. U osnovnom stanju samo se mali broj čestica nalazi na višim energijama. U teoriji, kada bi većina čestica bila na višem energetskom nivou, umesto na osnovnom, apsolutna temperaturna skala bi se obrnula sa pozitivne na negativnu vrednost i dobili bismo sistem sa temperaturom ispod apsolutne nule. Upravo ovako doktor Šnajder objašnjava ideju iz koje je potekao eksperiment koji je izveo zajedno sa svojim timom fizičara.