Νέφος ατόμων κάτω από το απόλυτο μηδέν!

Temperature depends on the energy landscape (Image: Ludwig Maximilian University of Munich)

Το απόλυτο μηδέν, δηλαδή οι μηδέν βαθμοί Κέλβιν ή -273,15 βαθμοί Κελσίου, θεωρείται ότι είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί. Όμως Γερμανοί ερευνητές κατάφεραν πρόσφατα να καταγράψουν ακόμα χαμηλότερες θερμοκρασίες, χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό αέριο.
Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Ludwig Maximilian στο Μόναχο δημιούργησε το κβαντικό αέριο από άτομα καλίου, χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό λέηζερ και μαγνητικών πεδίων. Κατά αυτόν τον τρόπο κατόρθωσαν να κάνουν τα άτομα να έλκονται μεταξύ τους αντί να απωθούνται, και έτσι εκδηλώθηκαν οι υπό του απόλυτου μηδενός ιδιότητες του αερίου.

«Αυτή η διαδικασία μετατοπίζει τα άτομα από την πιο σταθερή, χαμηλής ενέργειας κατάστασή τους, στην υψηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση, προτού μπορέσουν να αντιδράσουν», δήλωσε ο Ούλριχ Σνάιντερ, μέλος της ομάδας. «Είναι σαν να περπατάς σε μια κοιλάδα, και ξαφνικά να βρίσκεσαι σε μια βουνοκορφή», πρόσθεσε.

Το απόλυτο μηδέν είχε οριστεί θεωρητικά ως το χαμηλότερο όριο θερμοκρασίας σε συσχετισμό με τη μέση ποσότητα ενέργειας των σωματιδίων. Στο απόλυτο μηδέν θεωρείται ότι τα σωματίδια φέρουν μηδενική ενέργεια.

Στο πεδίο της υπό του απόλυτου μηδενός θερμοκρασίας, η ύλη αρχίζει να παρουσιάζει παράξενες ιδιότητες. Συστάδες ατόμων συμπαρασύρονται προς τα πάνω αντί προς τα κάτω, ενώ η ικανότητα της συνολικής δομής στο να μην καταρρέει θυμίζει την ιδιότητα του σύμπαντος που διαστέλλεται αντί να συστέλλεται λόγω των βαρυτικών έλξεων. Η ανακάλυψη της επιστημονικής ομάδας μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση αυτού του κοσμικού φαινομένου.

Εξάλλου, η δυνατότητα παραγωγής μίας σχετικά σταθερής ουσίας σε έως τώρα αφάνταστα χαμηλές θερμοκρασίες, θα επιτρέψει στους φυσικούς να μελετήσουν και να κατανοήσουν καλύτερα αυτή την παράξενη κατάσταση, και πιθανώς θα οδηγήσει σε άλλες καινοτομίες, όπως στη δημιουργία νέων μορφών ύλης στο εργαστήριο.

Οι αρνητικές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή θερμικών μηχανών. Οι μηχανές αυτές θυμίζουν τις γνωστές μηχανές καύσης, μετατρέποντας θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο, αλλά έχουν απόδοση πάνω από 100%, κάτι που φαντάζει φυσικά αδύνατο. Απορροφώντας ενέργεια τόσο από θερμότερες όσο και από πιο κρύες ουσίες, καταλήγουν να παράγουν έργο που αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή των θερμότερων ουσιών.

When an object is heated, its atoms can move with different levels of energy, from low to high. With positive temperatures (blue), atoms more likely occupy low-energy states than high-energy states, while the opposite is true for negative temperatures (red).
CREDIT: Image courtesy of LMU / MPQ Munich

Η απόλυτη θερμοκρασία, η θεμελιώδης κλίμακα θερμοκρασίας στην θερμοδυναμική (κλίμακα Κelvin), είναι πάντα θετική.

Κάτω από ειδικές συνθήκες είναι δυνατές και οι αρνητικές απόλυτες θερμοκρασίες – όπου καταλαμβάνονται περισσότερες καταστάσεις υψηλής ενέργειας απ’ ότι καταστάσεις χαμηλής ενέργειας.

Μέχρι στιγμής,όμως, τέτοιες καταστάσεις είχαν πραγματοποιηθεί σε εντοπισμένα συστήματα με πεπερασμένα και διακριτά φάσματα.
Οι αρνητικές θερμοκρασίες συνεπάγονται αρνητικές πιέσεις, νέες παραμέτρους στις καταστάσεις ψυχρών ατόμων, επιτρέποντας θεμελιωδώς νέες καταστάσεις πολλών σωμάτων και φαινόμενα πέραν της φυσικής διαίσθησης όπως μηχανές Carnot με απόδοση μεγαλύτερης της μονάδας.
Οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν μπορούν να θεωρηθούν ως θετικές θερμοκρασίες που ξεπερνούν το άπειρο. Η κατάσταση του αερίου που δημιούργησαν οι ερευνητές δεν είναι πιο ψυχρή από μηδέν Κέλβιν. Είναι θερμότερη. Είναι θερμότερη ακόμα και από οποιαδήποτε θετική θερμοκρασία: η κλίμακα θερμοκρασιών δεν σταματά στο άπειρο, αλλά αντίθετα πηδά σε αρνητικές τιμές. Έχουμε δημιουργήσει την πρώτη αρνητική απόλυτη θερμοκρασία κατάστασης για κινούμενα σωματίδια δήλωσε ο Simon Braun από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου στη Γερμανία.

Σύμφωνα με τους ερευνητές – μεταξύ άλλων – η αρνητική θερμοκρασία συνδέεται με την αρνητική πίεση άρα και με τη σκοτεινή ενέργεια. Και τούτο διότι για την περιγραφή της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος απαιτείται αρνητική πίεση!

Διάγραμμα της εντροπίας ως συνάρτηση της ενέργειας σε μια κανονική συλλογή. Τίθεται άνω (Εmin) και κάτω όριο (Εmax) στην ενέργεια. (Β) Ενεργειακά όρια για τους τρεις όρους της δισδιάστατης Χαμιλτονιανής Bose-Hubbard: κινητική ενέργεια (Εkin), ενέργεια αλληλεπίδρασης (Eint) και δυναμική ενέργεια (Εpot) (C) Οι κατανομές ορμής που μετρήθηκαν για θετικές (αριστερά) και αρνητικές (δεξιά) θερμοκρασίες.

Πηγή:Ναυτεμπορική New Scientist Physicsgg
 http://www.newscientist.com/article/dn23042-cloud-of-atoms-goes-beyond-absolute-zero.html
http://arxiv.org/abs/1211.0545