Zero absolut este cea mai scăzută temperatură teoretică, pe care oamenii de știință au definit-o ca minus 459,67 grade Fahrenheit (minus 273,15 grade Celsius). Asta chiar mai rece decât spațiul cosmic. Până acum, nimic despre care știm nu a ajuns la zero absolut. Dar este chiar posibil să atingem această piatră de hotar înfricoșătoare?
Pentru a răspunde la această întrebare, să despachetăm ce temperatura este de fapt. Tindem să ne gândim la temperatură ca la cât de cald sau rece este ceva, dar este de fapt o măsură a energiei sau vibrațiilor tuturor particulelor dintr-un sistem. Obiectele fierbinți au mai multă energie, astfel încât particulele lor pot vibra mai repede. Punctul în care particulele nu au deloc energie – și, prin urmare, se opresc din mișcare – este ceea ce este definit ca zero absolut.
Oamenii de știință sunt interesați să atingă aceste temperaturi scăzute, deoarece apar destul de multe efecte cuantice interesante atunci când particulele sunt încetinite. Un principiu fundamental în mecanica cuantică este dualitatea undă-particulă – fenomenul în care o particulă, cum ar fi un foton de lumină, se poate comporta fie ca o particulă, fie ca undă, a spus Sankalpa Ghoshun fizician teoretic al materiei condensate la Institutul Indian de Tehnologie Delhi.
Când avem de-a face cu particulele mecanice cuantice, este important să ne amintim „nedistingerea” lor – „nu este posibil să urmărim particulele sau undele individual, așa cum putem cu obiecte mai mari”, a spus Ghosh pentru Live Science într-un e-mail. „Originea acestui lucru poate fi urmărită până la faimosul principiu al incertitudinii Heisenberg, care cuantifică natura probabilistică a măsurării mecanice cuantice. [meaning that when a particle’s position is precisely measured, its momentum is less precisely known, and vice versa]. Această natură probabilistă conferă un caracter de undă unei particule mecanice cuantice.”
Amploarea acestui comportament cuantic asemănător undelor este exprimată prin raportul dintre distanțe între particule din sistem, cunoscut sub numele de lungime de undă termică de Broglie. La temperaturi normale, acest comportament cuantic este neglijabil, dar efecte ciudate încep să apară pe măsură ce particulele se răcesc.
“[This ratio] devine mai mare pe măsură ce temperatura scade și la zero absolut este de fapt infinit”, a spus Ghosh. „Fenomenele cuantice precum super fluiditatea (curgerea fără frecare), supraconductibilitatea (curentele curge fără nicio rezistență) și condensarea atomică ultrarece se întâmplă toate datorită acestui fapt. .”
Primele experimente ultrarece din anii 1990 au folosit o tehnică cunoscută sub numele de răcire cu laser pentru a începe să probeze aceste efecte. „Lumina exercită o forță asupra atomilor care îi încetinește până la temperaturi rezonabil de scăzute, în jur de 1 kelvin (minus 272,15 C sau minus 457,87 F)”, a spus. Christopher Foot, un fizician ultrarece la Universitatea din Oxford. “[That’s low enough] pentru a vedea comportamentul cuantic în solide și lichide, dar pentru gazele pe care le studiem, avem nevoie de 10 s de temperaturi nano-kelvin pentru a obține aceste efecte cuantice.”
Cea mai scăzută temperatură înregistrată vreodată într-un laborator a fost realizat de un grup din Germania în 2021. Echipa a aruncat atomi de gaz magnetizați într-un turn de 400 de picioare (120 de metri), schimbând constant camp magnetic pornit și oprit pentru a încetini particulele până la o oprire aproape completă. În acest tip de experiment, cunoscut sub numele de răcire cu capcană magnetică, particulele gazoase au atins un incredibil de 38 de picokelvin – 38 de trilioane de grad Celsius peste zero absolut și bine în intervalul pentru a începe observarea efectelor cuantice în gaze.
Dar are rost să încerci să răcești și mai mult materialele? Probabil că nu, potrivit Foot. „Suntem mult mai interesați de aceste efecte cuantice decât de atingerea zeroului absolut”, a spus el. „Atomii răciți cu laser sunt deja folosiți în standardele atomice care definesc timpul universal (ceasurile atomice) și în computerele cuantice. Lucrările la temperaturi mai scăzute sunt încă în stadiul de cercetare, iar oamenii folosesc aceste metode pentru a testa teoriile fizice universale”.
În prezent, nu este posibil să se răcească ultimele 38 de trilioane de grad – și ar trebui depășite câteva obstacole pentru ca aceasta să devină realitate. De fapt, chiar dacă ar fi să ajungem la zero absolut, s-ar putea să-l ratam complet din cauza tehnicilor de măsurare imprecise.
„Cu instrumentele actuale, nu puteai spune dacă este zero sau doar un număr foarte, foarte mic”, a spus Foot. „Pentru a măsura zero absolut, ai avea nevoie de fapt de un termometru infinit de precis, iar asta depășește sistemele noastre actuale de măsurare”.