Absoluutne nullpunkt: definitsioon, füüsika ja miks seda ei saa saavutada

Absoluutne nullpunkt tähendab kõige madalamat võimalikku temperatuuri. See on punkt, mille juures temperatuur, mis mõõdab ainet moodustavate osakeste keskmist soojuslikku liikumist, jõuaks oma madalaimale väärtusele. Aineosakesed (aineosakesed (molekulid ja aatomid))) ei saa klassikaliselt rohkem jahtuda kui see, kuid see ei tähenda, et nende energia kaoks täielikult.

Miks osakesed “ei peatu” täielikult?

Paljud arvavad ekslikult, et absoluutse nulli juures peatub kõik liikumine. See pole tõsi — kvantmehaanika järgi on olemas nullpunkti energia, mis on osakeste minimaalne jääkenergia isegi siis, kui kõik muus vormis soojusenergia on ära võetud. Nullpunkti energia tuleneb Heisenbergi määramatuse printsiibist: mida täpsemalt sa tead osakese asukohta, seda enam suureneb teadmatus tema impulsi (liikumise) kohta ja vastupidi. Seetõttu ei saa osakest täielikult ”külmutada” selliselt, et tal poleks mingit liikuvust ega energiat.

Kuidas ligineda absoluutsele nullile ja milline on rekord?

Teadlased on saavutanud temperatuure, mis on absoluutse nulli suhtes väga lähedal. Rekordtemperatuuriks on ligikaudu 100 pikokelvini (100 pK = 1×10^-10 K) üle absoluutse nulli — see on paljuski saavutatud mitte kogu süsteemi, vaid väga spetsiifiliste kvantolekute (nt nukleaarspinnide või külmutatud atomite) jahutamisega. Absoluutse nulli lähedale jõudmine on äärmiselt keeruline, sest kõik, mis on jahedamast esemest soojem, annab sellele soojust tagasi; lisaks on probleemiks kiirgus, kokkupuude ümbritseva ainega ning müra (nt elektromagnetilised häired ja isegi kosmiline kiirgus).

Peamised meetodid väga madalate temperatuuride saavutamiseks on:

• laserjahutus ja sedasama muutes kasutatavad meetodid (Doppleri jahutus, optiline molass), kus aatomite liikumiskiirust vähendavad valguskiired (lasereid);
• hajutusjahutus (evaporative cooling), mis töötab sarnaselt jahutamisega, kus kõige energilisemad osakesed eemaldatakse;
• magneto-optilised püünised ja sümmeetriline jahutus (sympathetic cooling) koos eri liikide aatomitega;
• dilutsioonjahutid, mis saavutavad millikelvinite (mK) tasemeid;
• adiabaatiline demagnetiseerimine ja tuumade demagnetiseerimine, mida kasutatakse mikro- ja nanokelvini skaalal;
• Bose–Einsteini kondensaadi ja teiste kvantmaailma olekute loomine, mis nõuab äärmiselt madalaid temperatuure.

Mida tähendab absoluutne null makro- ja mikromaailmas?

Teoreetiliselt, ideaalse klassikalise gaasi puhul, kaoks termiline rõhk, kui kõik termiline liikumine peatuks. Reaalses maailmas aga mängivad rolli ka kvantmehaanilised efektid: näiteks Fermi-degenerate elektronid või nullpunkti energia annavad osakestele kvantseisundi ja nendega seotud „rõhu” või energiasisalduse, mis ei kao. Lisaks ei saa osakeste liikumisest rääkides mõnikord eristada klassikalist liikumist ja kvantvibreerimist — täpne „tagurpidi vibreerimine” lihtsalt tähendaks sama vibreerimist teises faasis, mitte liikumise täielikku kadumist; seega kehtib ka siin, et vibratsioon ei muutu „tagurpidi” mingiks uueks nullenergia olekuks (vibratsioon).

Mida külmemaks materjal läheb, seda rohkem muutuvad nähtavaks kvantefektid. Paljudel metallidel väheneb elektronide soojuslik scaterring ning vastupanu langeb; mõnel materjalil tekib aga järsk muutus — superjuhtivus — mille korral elektrivool liigub ilma mõõdetava resistentsuseta alla materiaalse kriitilise temperatuuri. Kuid see ei pruugi kehtida kõigi materjalide kohta: mõnede puhaste metallide ja isoleerivate materjalide puhul võivad teised faktorid (nt defektid, impuriteedid) vastupanu suurendada.

Thermodünaamika ja absoluutne null

Termodünaamikakolmasseadus ütleb, et ideaalses mõttes ei saa ühegi süsteemi temperatuur kunagi saavutada absoluutset nulli. Mõlemad tavapärased formulatsioonid — Nernsti teoreem (entropia läheneb konstandile kui T→0) ja nii-öelda „saamatuspõhimõte” (absoluutset nulli ei ole võimalik saavutada lõplike protsesside rida kasutades) — väljendavad samu piiranguid..

Termodünaamika teine seadus ütleb, et kõik soojusmootorid (näiteks sisepõlemismootorid ja aurumasinate seadmed) ei saa olla 100% tõhusad, vaid peavad eraldama jääksoojust ning ei suuda kogu sisseastunud soojusenergiat tööks teisendada. Selle põhjuseks on Carnot’ teoreem: ideaalne takistuseta töövõime (kasutegur) kahe temperatuuri vahel on piiratud kujuga η = 1 − T_külm / T_kuum (temperatuurid kelvinites). See võrdub 100% ainult siis, kui kogu välissüsteemi temperatuur T_külm oleks absoluutne null — mis praktikas pole saavutatav — seega 100% tõhusus ei ole võimalik, kuid efektiivsust saab suurendada, kui tõsta sisetemperatuuri või vähendada külma allika temperatuuri.

Miks see teadlikult oluline on?

Absoluutse nulli kontseptsioon ja sellele lähedal olemine on olulised nii fundamentaalse füüsika uurimisel (kvantstatistika, Bose–Einsteini kondensatsioon, Fermi-gaas) kui ka rakendustes: väga madalad temperatuurid on hädavajalikud kvantarvutite tööks, täppismõõtmisteks, ülikõrge tundlikkusega sensoriteks ja uurimaks uusi materjale (superjuhtivus, supervedelikkus). Samas piiravad praktilised takistused ja fundamentaalsed seaduspärasused seda, kui kaugele me reaalselt absoluutse nulli poole jõuda saame.

Küsimused ja vastused

K: Mis on absoluutne nullpunkt?

K: Kas absoluutne null tähendab, et osakesed kaotavad kogu energia ja peatuvad liikumast?

K: Milline on absoluutse nulli lähedal saavutatud rekordtemperatuur?

K: Kuidas jahutavad teadlased esemeid väga madalatele temperatuuridele?

K: Kuidas on Celsiuse ja Fahrenheiti skaalad määratletud absoluutse nulli suhtes?

K: Mida ütleb kolmas termodünaamika seadus absoluutse nulli kohta?

K: Kuidas saab mootori kasutegurit 100%-le lähemale tõsta?

Otsing