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 İnilemez?
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.
Mutlak Sıfır'ın Önemi: 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.
Evrendeki En Soğuk Yer
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 Ulaşmak: 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 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.
Bilim adamları, aşırı soğutulmuş atomları incelemek için bunun gibi ayrıntılı lazer düzenekleri kullanıyor. Soğuk madde, kuantum davranışları hakkında bilgi verir.
Mutlak Sıfırın Altına İnme 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.
Mutlak Sıfır Hakkında Sık Sorulanlar
Mutlak sıfır nedir?
Mutlak sıfır, tüm maddelerin minimum termal enerjiye sahip olduğu noktada ulaşılabilecek mümkün olan en düşük sıcaklıktır. Bu sıcaklık 0 kelvin veya -273,15 santigrat derece olarak tanımlanır.
Mutlak sıfırdaki malzemelerin bazı fiziksel özellikleri nelerdir?
Mutlak sıfırda malzemeler bir dizi olağandışı fiziksel özellik sergiler. Örneğin, birçok malzeme süper iletken hale gelir, yani elektriği herhangi bir direnç olmadan iletebilirler. Diğerleri süper akışkan hale gelir, yani herhangi bir sürtünme olmadan akabilirler. Ek olarak, mutlak sıfırdaki bir sistemin entropisi minimumdur, yani maksimum düzen durumundadır.
Mutlak sıfırın termodinamik yasalarıyla ilişkisi nedir?
Mutlak sıfır kavramı termodinamik yasalarıyla yakından bağlantılıdır. Özellikle, termodinamiğin üçüncü yasası, sonlu sayıda işlemle mutlak sıfıra ulaşmanın imkansız olduğunu belirtir. Bu "Nernst ısı teoremi" olarak bilinir.
Mutlak sıfırın kuantum mekaniği ile ilişkisi nedir?
Kuantum mekaniği, tek bir varlık gibi hareket eden parçacık koleksiyonları olan Bose-Einstein yoğuşmalarının oluşumu da dahil olmak üzere, son derece düşük sıcaklıklarda meydana gelen bir dizi olağandışı fenomeni öngörür. Bu fenomenler, dalga boyları içinde bulundukları sistemin boyutuyla karşılaştırılabilir hale geldiğinde parçacıkların davranışıyla ilgilidir ve bu da belirsizlik ilkesinin bir sonucudur.
Mutlak sıfır ile ilgili bazı güncel araştırma alanları nelerdir?
Bu alandaki güncel araştırmalar, malzeme bilimi ve yoğun madde fiziği gibi alanlardaki uygulamalarla birlikte, malzemelerin son derece düşük sıcaklıklardaki özelliklerinin araştırılmasını içermektedir. Araştırmacılar ayrıca kuantum hesaplama ve diğer uygulamalar için ultra soğuk atom ve moleküllerin kullanımını araştırmaktadır. Ayrıca bilim insanları, kuantum mekaniği ve genel görelilik gibi temel fiziksel teorileri test etmenin bir yolu olarak mutlak sıfıra yakın sistemlerin davranışlarını incelemektedir.
Kaynaklar: