Na cestě k absolutní nule

18. září 2008 | 20.00 |

zerokelvin

Třetí termodynamický zákon říká, že nemůžeme dosáhnout teploty absolutní nuly. Tato teplota má hodnotu 0 K (kelvinů), což je – 273, 15°C. Na začátku 18. století vyslovil francouzský vědec G. Amontons myšlenku, že musí existovat teplota, pod níž nemůžeme již žádnou látku ochladit.

Později byly formulovány stavové zákony plynů, které nám říkají, jak souvisí teplota s tlakem a objemem. Na základě těchto zákonů dojdeme k tomu, že při určité teplotě by tlak či objem plynu dosáhly nulové či ještě nižší hodnoty. A protože záporný tlak plynu či záporný objem plynu nemají fyzikální smysl, byla zavedena teplotní mez, absolutní nula teploty.
Hovořit o velmi nízkých teplotách je někdy dost ošidná záležitost. Posuďte sami. Když např. hovoříme o teplotách kapalného helia, tj. teploty 4,7 K a níže, často uvádíme, že jde o teploty blízké absolutní nule. I když toto vyjádření pro snadnější srozumitelnost budeme užívat, jde o nepřesnost. Z přísného fyzikálního hlediska se jedná o stejný nesmysl, jako kdybychom v matematice tvrdili, že číslo 273 je blíže nekonečnu než číslo 2. Pro fyziku má daleko větší smysl poměr teplot, nikoli jejich rozdíl. I při nejnižších teplotách jsme vlastně stále nekonečně daleko od absolutní nuly.
Samotná příroda přitom došla při dosahování nízkých teplot na teplotu 2,7 K, což je teplota reliktního záření, pozůstatku velkého třesku. Někteří fyzikové proto tvrdí, že pokud bychom na některé planetě odhalili teplotu nižší než 1 K, byl by to důkaz, že tam žijí inteligentní bytosti na poměrně vysokém stupni vědecko-technologického vývoje.
Fyzika nízkých teplot je sice komplikovanou, ale nesmírně zajímavou vědou. Zatímco za běžných podmínek se elementární částice hmoty pohybují obrovskou rychlostí, při "teplotě blízké absolutní nule" se jejich pohyb zpomaluje a jejich chování se stává nevídané. Příkladem je supravodivost a supratekutost. Uspokojivé vysvětlení těchto fascinujících úkazů, pozorovaných poprvé při zkapalnění helia, zabralo fyzikům více než půlstoletí. Na teoretickém vysvětlení chování hmoty ochlazené na nepřirozeně nízkou teplotu se podílely celé týmy fyziků, od Pjotra Kapici a Lva Davidoviče Landaua (chování tzv. Fermiho kapaliny) po Richarda Feynmana (zpřesnění Landauovy teorie). Jejich průkopnické práce se staly východiskem pro tzv. "teorii BCS", založenou na teoriích J. Baardena (přitahování elektronů ve stavu Boseovy-Einsteinovy kondenzace), L. N. Coopera (idea párování elektronů) a J. R. Schrieffera (idea překrytí párů a vlnové funkce s neurčitým počtem párů).

Podle klasických termodynamických zákonů absolutní nuly nelze dosáhnout konečným počtem kroků. Ačkoli je cesta k absolutní nule ověnčena řadou Nobelových cen, stále zbývá místo pro další objevitele. Jakými metodami tedy bylo postupně dosahováno velmi nízkých teplot?
1) pomocí zkapalněných plynů 4He do 4,2 K, 3He do 3,2 K, čerpáním par těchto kryogenních
kapalin až do asi 0,3 K
2) pomocí moderních tepelných strojů - kryogenerátoru Gifford-McMahonova typu nebo
pulzních trubic do teploty asi 3 K
3) pomocí rozpouštění 3He v 4He díky jejich rozdílnému kvantovému charakteru asi do 2 mK
(0,002 K)
4) pomocí Pomerancukova jevu v 3He asi 0,8 mK
5) pomocí adiabatické demagnetizace magnetických momentů atomových jader, např. mědi
do 13 mikrokelvinů (0,000013 K), což je zřejmě stále rekord
6) pomocí Boseho - Einsteinovy kondenzace atomů (BEC) se daří je chladit na úroveň
nanokelvinů

Poprvé bylo stavu BEC (Boseův-Einsteinův kondenzát) dosaženo v roce 1995, kdy se vědcům podařilo realizovat magnetooptickou past, zařízení využívajícího principu laserového ochlazování, kdy laserový paprsek zamezuje pohybu atomů. Díky tomuto postupu se vědci dostali na teploty o něco nižší než 1 mK (milikelvin). K experimentu nejprve posloužily atomy rubidia. Od té doby se BEC stal předmětem intenzivního výzkumu v mnoha světových fyzikálních laboratořích. Podařilo dosáhnout stavu BEC s atomy sedmi dalších prvků, včetně sodíku, a studovaly se jejich projevy.

Fyzikům se dařilo ochladit atomy určitých prvků až na teplotu 3 nK (0,000 000 003 stupně nad absolutní nulou).
V roce 2003 se ale díky technicky náročnému experimentu dostali ještě do daleko nižších teplot. Wolfgang Ketterle a jeho tým na MIT nejprve "uchopili" několik milionů atomů sodíku do tzv. optické pinzety tvořené laserovými paprsky. Pak byly tyto atomy "polapeny" do magnetickooptické pasti. Následoval proces adiabatické dekomprese, při němž síť magnetických polí odstranila teplejší atomy. Díky tomu teplota kondenzátu (asi 200 tisíc atomů) klesla pod 3 nK.
Jak vysvětlil jeden z týmu výzkumníků, další pochod už vycházel z využití elementárního stavového zákonu plynů: zvyšujeme-li tlak, plyn se zahřívá, snižujeme-li tlak, dochází k ochlazování. Ketterle tedy v pasti snížil tlak, čímž zredukoval výsledný počet atomů asi na množství 30 tisíc. Právě díky prudkému snížení tlaku se mu nakonec podařilo zbytek sodíkových atomů ve stavu Boseova-Einsteinova kondenzátu ochladit pod teplotu 1 nK (0,000 000 001 stupně nad 0 K). Nejnižší teplota, která byla při experimentu naměřena, dosahovala neuvěřitelných 450 pK (pikokelvinů).

Experimentální výzkum Boseových-Einsteinových kondenzátů začal poměrně nedávno, ale pokračuje s nezmenšenou intenzitou. Již dnes existuje řada pozoruhodných výzkumů a aplikací BEC. Například nedávno značně medializované "zpomalené světlo", kdy se vědcům podařilo pomocí BEC zbrzdit proud fotonů.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.5 (6x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Související články

Komentáře

RE: Na cestě k absolutní nule peter 09. 05. 2009 - 13:41