Czytaj dalej

Nienawidzę zimy. Całe szczęście, że temperatury odnotowywane na Antarktydzie, Syberii czy w Suwałkach, są całkiem przyjazne. Przynajmniej wobec tego na co zezwala fizyka.

Wspo­mnijmy o mnie­ma­niu nie­któ­rych fizyków, co przy­czynę ciepła i zimna od szcze­gól­nego ruchu cząstek ciał wypro­wa­dzają. Według niego, atomy wszyst­kich ciał zostają w nie­prze­rwa­nym ruchu, z tą różnicą, że ruch ten i jego chyżość nie wszędzie są jed­no­stajne

Ignacy Fonberg

Lord Kelvin

Czymś abso­lut­nie natu­ral­nym jest zadanie sobie pytania, czy tem­pe­ra­tura ma jakieś limity. Innymi słowy, czy drgania cząstek i atomów wewnątrz materii natura obwa­ro­wała jakimiś gra­ni­cami? Ruch bierze się z energii, toteż zasta­na­wiamy się nad tym, jak wiele można dostar­czyć lub odebrać energii okre­ślo­nemu układowi. Zagwozdka ta szcze­gól­nie zain­te­re­so­wała bry­tyj­skiego ary­sto­kratę Williama Thomsona, którego wszyscy lepiej znamy pod nazwi­skiem lorda Kelvina. Thomson miał szczę­ście żyć rów­no­le­gle z innymi wielkimi fizykami  jak Nicolas Sadi Carnot, Julius Mayer, Rudolf Clausius czy James Joule  żywo zain­te­re­so­wa­nymi roz­kwi­ta­jącą w tym okresie ter­mo­dy­na­miką. To bardzo ważne, bo choć pojęcia ciepła i tem­pe­ra­tury znaj­do­wały się w użyciu, ich inter­pre­ta­cja była daleka od rze­czy­wi­sto­ści. Zjawiska cieplne łączono z enig­ma­tycz­nymi fluidami, tzw. cie­pli­kami, mającymi wnikać w materię i ją ogrzewać. Nie­uchwytne ciepliki prze­śla­do­wały publi­ka­cje wszyst­kich wymie­nio­nych uczonych, nie wyłą­cza­jąc Thomsona. Plusem był fakt, iż wreszcie dowie­dziono rów­no­waż­no­ści ciepła i pracy, trak­to­wa­nych odtąd jako dwa różne sposoby prze­pływu energii.

Lord Kelvin

Naj­waż­niej­sze jednak, iż XIX wiek dopro­wa­dził fizyków do popraw­nego opisu tem­pe­ra­tury, będącej od teraz ni mniej ni więcej, miarą ruchu czą­ste­czek budu­ją­cych materię. To proste twier­dze­nie okazało się kluczowe z punktu widzenia rozważań lorda Kelvina. Wła­ści­wo­ści roz­pa­lo­nego do czer­wo­no­ści pręta wynikają z nie­spo­koj­nych drgań budu­ją­cych go atomów i czą­ste­czek, których energia kine­tyczna mani­fe­stuje się wzrostem tem­pe­ra­tury. Logicz­nie rzecz biorąc, a con­tra­rio niska tem­pe­ra­tura musi oznaczać uspo­ko­je­nie czą­ste­czek i zmniej­sze­nie ich mobil­no­ści. Stąd już blisko do wniosku, że powinien istnieć stan materii cha­rak­te­ry­zu­jący się zupełnym zanikiem drgań, zasty­gnię­ciem czą­ste­czek w totalnym bezruchu. Thomson wyobra­ził sobie kryształ dosko­nały, ciało stałe o idealnie upo­rząd­ko­wa­nej i sztywnej struk­tu­rze, którego wiązania znajdują się w stanie naj­niż­szej możliwej energii i pełnej rów­no­wagi ter­mo­dy­na­micz­nej.

Zero absolutne u Kelvina, Celsjusza i Fahrenheira

Fizyk zdawał sobie sprawę, że praw­do­po­dob­nie nic we wszech­świe­cie nie jest aż tak wyzute z energii, ale uznał tę hipo­te­tyczną granicę za odpo­wiedni punkt odnie­sie­nia dla kon­stru­owa­nej przez siebie, bez­względ­nej skali tem­pe­ra­tur. 0K, czyli ‑273,15 stopnia w skali zapro­po­no­wa­nej sto lat wcze­śniej przez Andersa Cel­sju­sza, zyskało status zera abso­lut­nego.

Górny limit?

Trochę na mar­gi­ne­sie, chciał­bym pochylić się nad zja­wi­skiem odwrot­nym względem naszego głównego tematu. Skoro istnieje oddolny limit tem­pe­ra­tury, to czy możemy poszu­ki­wać ana­lo­gicz­nej, górnej bariery? Czy da się wyzna­czyć tem­pe­ra­turę mak­sy­malną?

To trudne pytanie, nie­po­zwa­la­jące na udzie­le­nie tak pewnej odpo­wie­dzi jak w przy­padku powyż­szym. Kosmos oferuje olbrzymi wachlarz wysokich, bardzo wysokich i eks­tre­mal­nie wysokich tem­pe­ra­tur. Jądro Ziemi roz­grzane jest do jakichś 6 tys. K, w centrum prze­cięt­nej gwiazdy odno­tu­jemy kil­ka­dzie­siąt milionów K (107), zaś eks­plo­zja super­no­wej może przy­nieść nawet ponad sto miliar­dów K (1011). Według współ­cze­snej fizyki, poprzeczka usta­wiona jest nie­po­rów­ny­wal­nie wyżej. Wyznacza ją tem­pe­ra­tura Plancka równa 1,417 × 1032K. (Istnieje jeszcze kon­cep­cja Rolfa Hage­dorna z limitem na poziomie 2 × 1012K, ale nie chcę zbyt mieszać).

Przy zerze bez­względ­nym struk­tura materii po prostu prze­staje reagować, wiec jak wygląda jego prze­ci­wień­stwo? Tym razem wyja­śnie­nie wydaje się znacznie mniej intu­icyjne, ponieważ wymaga wzięcia pod uwagę wiedzy doty­czą­cej oddzia­ły­wań pod­sta­wo­wych. Elek­tro­ma­gne­tyzm, oddzia­ły­wa­nie słabe i oddzia­ły­wa­nie silne umoż­li­wiają funk­cjo­no­wa­nie czą­ste­czek, atomów i cząstek sub­a­to­mo­wych w kształ­cie jaki znamy. Dzięki potężnym akce­le­ra­to­rom cząstek ele­men­tar­nych wiemy jednak, że siły te tracą swoją toż­sa­mość po poddaniu ich eks­tre­mal­nie wysokim energiom. Co więcej, teoria mówi, że przy odpo­wied­nio dużej energii wszyst­kie cząstki – zarówno nośniki oddzia­ły­wań jak i cegiełki materii – zlewają się w jed­no­litą papkę. Otrzy­mu­jemy zupę o tem­pe­ra­tu­rze kwin­ty­liarda kelwinów, w której dochodzi do wielkiej uni­fi­ka­cji wszyst­kich sił i cząstek, nie wyklu­cza­jąc gra­wi­ta­cji. Takie warunki panowały w pierw­szym ułamku sekundy po wielkim wybuchu, gdy obo­wią­zy­wały inne, wciąż nie­opi­sane reguły fizyki.

Sięgnąć absolutu

Zachowanie materii w zerze absolutnym
Cząstki ciągle drżą.

Porzućmy ten gorący temat i wróćmy do zera bez­względ­nego. Jak wspo­mnia­łem, już w czasach lorda Kelvina domnie­my­wano, iż otrzy­ma­nie takiej tem­pe­ra­tury może stanowić nie lada problem. Fizycy tamtej gene­ra­cji mieli cał­ko­witą rację, choć wska­zy­wali głównie na nie­do­god­no­ści tech­niczne. Dopiero poprawny opis mikro­świata przez mecha­nikę kwantową potwier­dził, że osią­gnię­cie 0K jest nie tylko nie­praw­do­po­dobne, ale wręcz nie­moż­liwe.

Sercem fizyki kwan­to­wej pozo­staje naszki­co­wana przez Wernera Heisen­berga, fun­da­men­talna zasada nie­ozna­czo­no­ści. Niemiec stwier­dził, że nie da się jed­no­cze­śnie określić z abso­lutną dokład­no­ścią pędu cząstki oraz jej poło­że­nia. Spraw­dza­jąc gdzie znajduje się przy­kła­dowy elektron, tracimy infor­ma­cję na temat jego pędu i odwrot­nie. Zestawmy to teraz z wyima­gi­no­wa­nym krysz­ta­łem Williama Thomsona. W warun­kach zera abso­lut­nego jego struk­tura miałaby być abso­lut­nie sztywna, bez żadnych drgań i wibracji. Atomy prze­stają się wiercić i grzecz­nie siedzą na swoich miej­scach. Według tej wizji, byli­by­śmy w stanie dokład­nie zlo­ka­li­zo­wać każdą drobinę, wiedząc również, że nie posiada ona pędu. Otrzy­ma­li­by­śmy komplet infor­ma­cji o mikro­świe­cie.

Nie­ozna­czo­ność jest wpisana w naturę obiektów sub­a­to­mo­wych i nie da się jej prze­sko­czyć, tak samo jak zasady zacho­wa­nia pędu czy zasady zacho­wa­nia energii. Podlega jej nawet sama prze­strzeń (o czym możesz poczytać w tym tekście), co już neguje moż­li­wość total­nego “unie­ru­cho­mie­nia” układu. Mamy więc prawo śmiało powie­dzieć, że prawa fizyki zaprze­czają zeru abso­lut­nemu, które należy trak­to­wać jako granicę teo­re­tyczną oraz prak­tyczną naszych starań.

Rekordowe mrozy

Jak na ironię w “wypom­po­wa­nie” energii z układu trzeba często włożyć więcej wysiłku niż w jej dostar­cze­nie. Bynaj­mniej nie upra­wiamy sztuki dla sztuki, bo tego typu starania mają swoje tech­niczne zasto­so­wa­nia. Już na początku ubie­głego stulecia zauwa­żono, iż schło­dze­nie metali do nie­na­tu­ral­nie niskiej tem­pe­ra­tury, pozwala na zni­we­lo­wa­nie opor­no­ści elek­trycz­nej, co w dzi­siej­szych czasach jest wła­ści­wo­ścią szcze­gól­nie pożądaną.

Zero bezwzględne

Nim przyszła nowo­cze­sna krio­tech­nika, radzono sobie na inne sposoby, choćby poprzez gwał­towne roz­prę­ża­nie gazów. Podobną metodę zasto­so­wali między innymi Zygmunt Wró­blew­ski i Karol Olszew­ski skra­pla­jąc w 1883 roku tlen i azot, schło­dzone do tem­pe­ra­tury do 113K (-160°C), a następ­nie argon do zaledwie 48K (-225°C). Współ­cze­śnie rzecz jasna, osiągi te nie robią na nikim wrażenia. Próbując wybadać na ile pozwoli nam fizyka, już dekady temu zbli­ży­li­śmy się do zera bez­względ­nego, a kolejne doko­na­nia są równie subtelne co bicie rekordów w sprincie na 100 metrów.

Schładzanie materii do najniższej temperatury

Naj­niż­szą tem­pe­ra­turę do tej pory uzyskali badacze z µKI-group Low Tem­pe­ra­ture Labo­ra­tory w 1999 roku. Schło­dzili oni bryłkę rodu – bardzo rzadko wystę­pu­ją­cego metalu szla­chet­nego – do tem­pe­ra­tury (fanfary) rzędu 100 piko­kel­wi­nów, to jest bilio­no­wych części kelwina powyżej zera bez­względ­nego (10−11 K)! Było to pobicie usta­no­wio­nego kilka lat wcze­śniej rekordu, wyno­szą­cego 280 piko­kel­wi­nów. De facto, ten nie­zwy­kle schło­dzony kawałek rodu był przez moment naj­zim­niej­szym obiektem we wszech­świe­cie. Wszakże nawet naj­bar­dziej zmrożone mgławice (jak mgławica Bumerang) nie schodzą poniżej 1 stopnia ponad zero abso­lutne. Oczy­wi­ście uzy­ska­nie takich tem­pe­ra­tur wymaga czegoś więcej niż bardzo mocnej lodówki. Schła­dza­nie metalu odbywa się w kilku etapach, gdzie finałem jest “upo­rząd­ko­wy­wa­nie” czą­ste­czek za pomocą silnego pola magne­tycz­nego. Co ciekawe, metoda roz­ma­gne­so­wa­nia adia­ba­tycz­nego znana jest już od 1880 roku i jak widać, do dziś nie wyszła z użycia.

Mniej niż zero

Pytanie o to czy można osiągnąć tem­pe­ra­turę poniżej 0K wydaje się absur­dalne. Skoro nie możemy, choćby w związku z zasadą nie­ozna­czo­no­ści, sięgnąć zera abso­lut­nego, to jak mie­li­by­śmy zejść jeszcze “niżej”? I co, u licha, miałoby to oznaczać? Skoro zero bez­l­gędne równa się brakowi energii i ruchu, to czymże w tym układzie byłaby tem­pe­ra­tura ujemna?

Te wąt­pli­wo­ści są jak naj­bar­dziej uza­sad­nione, niemniej już w 1950 roku pojawili się teo­re­tycy twier­dzący, że można dokonać “nie­moż­li­wego”. Co więcej, kilka lat temu eks­pe­ry­men­ta­to­rzy dowiedli ich racji. Przy pomocy odpo­wied­nich laserów i pola magne­tycz­nego, badacze z Uni­wer­sy­tetu Ludwika Mak­sy­mi­liana w Mona­chium spro­wa­dzili próbkę argonu do ułamka kelwina… poniżej zera abso­lut­nego. Spo­koj­nie, nie musicie drzeć na strzępy pod­ręcz­ni­ków, gdyż jest to tylko swego rodzaju sztuczka wyni­ka­jąca z odpo­wied­niego odczy­ta­nia defi­ni­cji tem­pe­ra­tury, jako romansu energii i entropii. Kiedy sobie wizu­ali­zu­jemy pod­grze­wany gaz, mamy przed oczyma coraz szybsze drobiny odbi­ja­jące się od siebie w nie­kon­tro­lo­wany sposób. Więcej energii w tym przy­padku oznacza większy chaos i efekt w postaci wyższej tem­pe­ra­tury. Nie­mieccy fizycy wywró­cili cały proces do góry nogami. Najpierw mak­sy­mal­nie schło­dzili atomy, aby nagle przy­pu­ścić ener­ge­tyczny blitz­krieg. Dzięki tej inge­ren­cji uzyskali egzo­tyczny układ, w którym wysoka energia spo­wo­do­wała upo­rząd­ko­wa­nie struk­tury gazu, co mate­ma­tycz­nie równa się tem­pe­ra­tu­rze ujemnej. Cytując uczest­nika eks­pe­ry­mentu, Ulricha Schne­idera: “Nagle prze­no­simy atomy z ich naj­bar­dziej sta­bil­nego stanu o naj­niż­szej energii do naj­wyż­szego moż­li­wego stanu ener­ge­tycz­nego, zanim zdążą zare­ago­wać. To jest jak prze­chadzka po dolinie i natych­mia­stowy skok na szczyt góry”.

Tak jak wspo­mnia­łem jest to drobne oszustwo, gdyż w rze­czy­wi­sto­ści taki układ o “ujemnej” tem­pe­ra­tu­rze może zawierać całkiem sporo energii. Co jeszcze zabaw­niej­sze, to wszystko nie uchybia w żaden sposób zakazowi uzy­ska­nia zera bez­względ­nego. Prędzej bowiem spro­wa­dzimy ciało do “ujemnych”, kelwinów niż oziębimy je do zera. Ot taka cie­ka­wostka.

Termiczny koniec wszechświata
Termodynamiczna strzałka czasu

Roz­wa­ża­nia na temat zera abso­lut­nego intry­gują tym bardziej, że dotyczą całego wszech­świata. Na dobrą sprawę wszyst­kie procesy fizyczne z jakimi mamy do czy­nie­nia wiążą się z prze­pły­wem energii, przede wszyst­kim wskutek odda­wa­nia ciepła przez obiekty cie­plej­sze obiektom chłod­niej­szym. Nawet w tej chwili Wy oraz wasze kom­pu­tery wypro­mie­nio­wu­je­cie część swojej energii do oto­cze­nia. Co do zasady będzie to trwało tak długo aż wszyst­kie elementy układu (o ile jest zamknięty) nie znajdą się w stanie rów­no­wagi.

Śmierć cieplna wszechświata

Nie­któ­rzy mówią o ter­mo­dy­na­micz­nej strzałce czasu, będącej kie­run­kow­ska­zem na drodze z prze­szło­ści ku przy­szło­ści. Przepływ energii pozwala na prze­ka­zy­wa­nie infor­ma­cji, a infor­ma­cja jest nie­zbędna do powsta­nia życia i narodzin świa­do­mo­ści. Jednak brutalna II zasada ter­mo­dy­na­miki grozi nam paluchem, przy­po­mi­na­jąc, że wszech­świat jako całość stale się ochładza, a energia ulega roz­rze­dze­niu. Empi­rycz­nym dowodem tego faktu, są pocho­dzące z pier­wot­nego ognia wiel­kiego wybuchu fotony mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła, wciąż niosące przez kosmiczną pustkę mie­rzalną tem­pe­ra­turę 2,7K. Pro­mie­nio­wa­nie reszt­kowe słabnie, gwiazdy się wypalają, a czarne dziury parują. Wszech­świat, jak wszystko wokół nas, dąży do stanu ter­micz­nej rów­no­wagi i wiele wskazuje na to, że czeka go śmierć cieplna.

Jednak na drodze zera bez­względ­nego stoi dzielny Heisen­berg. Być może dzięki jego zasadzie, szargana kwan­to­wymi kon­wul­sjami prze­strzeń tak naprawdę nigdy nie umrze.

Literatura uzupełniająca:
C. Collie, Teoria kinetyczna i entropia, przeł. K. Makowski, Warszawa 1989;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2016;
E. Speyer, Spadkobiercy Newtona, przeł. J. Dziembowski, Warszawa 1994;
E. Schrödinger, Czym jest życie? Umysł i materia. Szkice autobiograficzne, przeł. S. Amsterdamski, Warszawa 1998;
µKI Group Microkelvin Investigations, [online: http://ltl.tkk.fi/wiki/LT/%C2%B5KI_Group];
A. Mielcarek, Adiabatyczne rozmagnesowanie paramagnetyków jako metoda osiągania ekstremalnie niskich temperatur, [online: www.specjalnoscchk.pl/osiagi/Mielcarek_krio.pdf]
P. Tyson, Absolute Hot, [online: www.pbs.org/wgbh/nova/physics/absolute-hot.html]
Z. Merali, Quantum gas goes below absolute zer, [online: www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero‑1.12146].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.