Mutlak sıfır derece nedir ve –273'ün altına inildiğinde ne olur?

mutlak sıfır derece

Mutlak sıfır veya 0 derece Kelvin tüm hareketin durduğu sıcaklıktır. Sıcaklık ölçeğindeki en düşük sınırdır ve hala bu sınırın altına inmenin yolu bulunamadı. Sıcaklık göreceli olma eğilimine sahip – hava donma noktası altında veya birinin ateşi normalin üstünde deriz. Ancak bilim adamları mutlak sıcaklık denilen yaklaşımla bu spektrumun uç noktalarını araştırır: Üst sınırda mutlak sıcak bulunur ve tüm fizik yasalarının eridiği yerdir. Diğer taraftan mutlak sıfır vardır, evrendeki mümkün mevcut en düşük sıcaklıktır ve altına inilemez. Kuantum bilgisayardan evrene mutlak sıfırın önemini anlayalım.

Neden mutlak sıfır dereceye inilemez?

Bunu anlamak için önce biraz Fizik 101'e ihtiyacımız var. Maddeyi oluşturan atomlar her zaman hareket halindedir. Sıcaklık, bu atomların kinetik enerjisi veya hareket enerjisinin ölçümüdür. Ne kadar hızlı hareket ederlerse sıcaklıkları o kadar yüksek olur. Mutlak sıfır ise tam bir durgunluk halidir.

Bilindiği kadarıyla evrendeki veya laboratuvardaki hiçbir şey mutlak sıfıra ulaşamıyor. Uzay bile 2,7 Kelvin'lik bir arkaplan sıcaklığına sahip. Mutlak sıfırın tam değeri -273,15 santigrat derece veya -459,67 Fahrenheit'tır ve her ikisi de 0 Kelvin'e eşit. Her maddenin ne kadar soğuyabileceği değişir ve teori asla mutlak sıfıra ulaşamayacağımızı öne sürer. Yine de yeni araç ve tekniklerle bilim adamları durmadan bu dibe ulaşmaya çalışıyor.

İLGİLİ:  Virüslerin keşfi ve kavramlaştırılması

Mutlak sıfır neden önemli: Süperakışkanlar ve fazlası

  • Bose-Einstein Yoğunlaşması (BEC): 1995'te, Colorado Üniversitesi Boulder fizikçileri, yalnızca mutlak sıfır çizgisinde var olan beşinci bir madde durumu olan BEC'i gözlemlediler. Böylesine düşük sıcaklıkta atomlar o kadar çok örtüşür ki tek bir kuantum durumuna çökerek topluca tek varlık halinde hareket ederler. BEC'in keşfedilmesi fizikçilerin kuantum davranışlarını incelediği yeni bir bilim dalını başlattı.
  • Kuantum hesaplama: Kuantum bilgisayar bir hesaplamayı normal bilgisayarın kullandığı 1 ve 0 bitleri yerine kübit (kuantum biti) kullanarak yapar. Teoride bu makineler sorunları günümüz bilgisayarından çok daha hızlı çözecektir. Ancak kuantum bilgisayarın çalışması için atomlarının veya moleküllerinin mutlak sıfırın birkaç yüzde biri üzerinde bir dereceye kadar soğutulması gerek; bu sayede kuantum özellikler ısının ürettiği elektriksel gürültüde kaybolmaz.
  • Maddi tuhaflık: Helyum soğuduğunda tuhaflaşır: Dar bir borudan sürtünmeden kayabilir, uzun süre akım taşıyabilir ve bir kabın kenarından yukarı akabilir. Bilim adamları bunu – ve BEC gibi bazı aşırı soğuk gazları – süper akışkan olarak tanımlıyor. Son yıllarda süpernovaların kara delik oluşturacak kadar büyük olmayan küçük, yoğun kalıntıları olan nötron yıldızında süperakışkan bulunabileceği öne sürüldü. Süperakışkanlar kendi içinden akma gibi garip özelliklere sahip süper katıların keşfine de yol açtı. Bu maddeler doğanın derin gizemleridir ve insanın keşfetmesi için oradalar.
İLGİLİ:  Santiago Ramón y Cajal | Modern nörobilimin kurucusu

Evrendeki en soğuk yer

Ay'ın karanlık tarafında ve Plüton'un gölgeli kraterlerinde sıcaklıklar düşük olsa da bu yerler Boomerang Bulutsusu'na kıyasla hala sıcak sayılır. Yaklaşık 5000 ışıkyılı uzaklıkta bulunan bu yıldız sistemi mutlak sıfırın sadece 1 kelvin üzerinde yer alıyor.
Boomerang Bulutsusu. (Görsel: NASA/ESA)

Ay'ın karanlık tarafında ve Plüton'un gölgeli kraterlerinde sıcaklık son derece düşük olsa da bu yerler Boomerang Bulutsusu'na kıyasla hala sıcak sayılır. Yaklaşık 5000 ışık yılı uzaklıkta bulunan bu yıldız sistemi mutlak sıfırın sadece 1 Kelvin üzerinde yer alıyor.

Mutlak sıfıra nasıl ulaşılır: Lazerler

Mutlak sıfıra inmek isteyen bilim adamları bir gazın atomlarını soğutmaya çalıştıkları ayrıntılı deneylerde vakum ve lazer kullanmıştır. Vakum, normalde olduğu gibi gazı sıvı veya katıya yoğunlaştırmadan soğutmayı sağlıyor ancak atomlar hala hareket halindedir. Lazerin devreye girdiği yerse burası.

Bir atomu soğutmak için birkaç lazer tek noktada kesişir ve momentumunu yavaşlatır.
Bir atomu soğutmak için birkaç lazer tek bir noktada yoğunlaştırılır ve atomun momentumu yavaşlatılır. (Görsel: Laboratoire Kastler Brossel)

Bir atom, lazerden gelen ışık parçacığı veya fotonu emdiğinde başka bir foton yayar. Fizikçiler lazerleri doğru şekilde ayarladıklarında bir yönde hareket eden bir atom fotonu emer ve diğer bir fotonu farklı bir yönde daha yüksek bir enerjiyle yayar. Her foton ile atom giderek yavaşlar. Atoma her yönden lazer tutan araştırmacılar momentumunu son derece düşürebiliyor. İlk olarak 1970'lerde kullanılan bu tekniğe lazer soğutma denildi.

Ancak ısıyı daha da düşürmenin yolu var. Buharlaşmalı soğutma denilen teknik, gazın en yüksek enerjili atomlarını sifonluyor – ısıyı buhar olarak serbest bırakarak soğuyan çorba gibidir. Bilim insanları lazeri ve buharlaşmalı soğutmayı yeni yollarla birleştirerek gazları 0 Kelvin'in yaklaşık 50 trilyonda biri kadar soğutabildi. Hala sıfır değil ama yakın.

İLGİLİ:  Yeşil floresan proteini: Karanlıkta parlayan hayvanlar

Bilim adamları, aşırı soğutulmuş atomları incelemek için bunun gibi ayrıntılı lazer düzenekleri kullanıyor. Soğuk madde, kuantum davranışları hakkında bilgi verir.

Mutlak sıfırın altına inme yarışı

  • 1926: Kimyagerler bir maddeyi 1 Kelvin'in altına soğutmak için ilk olarak manyetik alanı ele alan adyabatik demanyetizasyon yöntemini geliştirdi. 1933'te bilim adamları bu yöntemle tuzu 0,25 Kelvin'e soğuttu. Son derece düşüktür ancak lazer soğutma kadar düşük değil.
  • 1978: İlk lazer soğutma denemeleriyle değer 40 Kelvin'e çıkarıldı; 10 yıl sonra fizikçiler lazer soğutmayı kullanarak kelvinin 43 milyonda birine ulaştılar.
  • 1997: Üç fizikçi lazer soğutmayı icat ettikleri için Nobel Ödülü'nü paylaştı.
  • 2015: Stanford Üniversitesi araştırmacıları, güneş pilleri yapmak için kullanılan yumuşak bir metal olan rubidyumdan oluşan bir gazı mutlak sıfırın üzerinde 50 trilyonda bir dereceye soğutarak yeni bir rekor kırdılar.
  • 2017: Colorado, Boulder'daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden fizikçiler bir alüminyum zarı 0,00036 Kelvin'e kadar soğuttu; bu değer madde için mümkün olan teorik ısıdan daha düşüktü. Deneyde tek bir nesnenin aynı anda iki yerde bulunması gibi kuantum etkilerin ipuçları görülebildi.

Atabay Gökbörü tarafından

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.