Kun tiede ja teknologia kehittyvät, matkaamme yhä kylmemmille alueille, mutta jotkut asiat ovat silti mahdottomia saavuttaa. Tarvitset vain vilkaista absoluuttista nollapistettä ymmärtääksesi tämän. Absoluuttinen nollapiste, joka on -273,15 astetta Celsius-asteikolla tai nolla Kelvinin asteikolla, on absoluuttisen lämpötilan alin mahdollinen piste ja vaikuttaa perimmäiseltä saavuttamattomalta.
Mutta miksi emme voi saavuttaa absoluuttista nollapistettä? Syy on kvanttimekaniikassa ja yhdessä sen perusperiaatteista, Heisenbergin epätarkkuusperiaatteessa.
Tämä periaate määrittelee, että hiukkasen paikan ja liikemäärän tarkka mittaus ja tunteminen samanaikaisesti on mahdotonta. Tämä tarkoittaa, että kun lähestyt absoluuttista nollapistettä, kvanttifluktuaatiot ja hiukkasten epätarkkuus kasvavat eksponentiaalisesti.
Vaikka absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen saattaa kuulostaa mielenkiintoiselta tieteelliseltä saavutukselta, se on osoittautunut käytännössä mahdottomaksi. Joten vaikka tulevaisuuden teknologia voi tuoda meille monia ihmeitä, absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen on edelleen perimmäisesti mahdotonta.
Joten miksi absoluuttinen nollapiste ei ole mahdollinen? Lue lisää ja paljasta tämän jäisen mysteerin vastaukset.
Absoluuttisen nollapisteen käsite
Absoluuttinen nollapiste on absoluuttisen lämpötilan alin mahdollinen piste, jossa hiukkasten liike ja energiataso saavuttavat minimin. Tämä on määritelty Kelvin-asteikolla, jossa absoluuttinen nollapiste vastaa nollaa Kelvinissä ja -273,15 astetta Celsius-asteikolla. Tämä merkitsee sitä, että kaikki aineen liike pysähtyy ja hiukkaset jäävät paikalleen tässä äärimmäisessä lämpötilassa. Absoluuttinen nollapiste toimii vertailukohtana lämpötilan mittauksissa ja lämpötilaerojen ymmärtämisessä.
Absoluuttisen nollapisteen käsite kehitettiin 1800-luvun lopulla, kun tutkijat alkoivat ymmärtää lämpötilan ja energian suhdetta paremmin. Tämän käsitteen avulla voitiin luoda absoluuttinen lämpötila-asteikko, joka perustuu hiukkasten liikkeeseen. Absoluuttinen nollapiste on tämän asteikon alin piste ja se on pysynyt tärkeänä käsitteenä termodynamiikassa ja kvanttimekaniikassa.
Termodynamiikan lait
Absoluuttisen nollapisteen ymmärtämiseksi on tärkeää tietää myös muutamia termodynamiikan lakeja. Termodynamiikka on fysiikan haara, joka tutkii lämmön ja energian vaihtoa järjestelmien välillä. Tässä yhteydessä kaksi tärkeintä lakia ovat ensimmäinen ja toinen pääsääntö.
Ensimmäinen pääsääntö kertoo, että energia ei voi syntyä tyhjästä eikä kadota, vaan se voi vain muuttua muodosta toiseen. Tämä tarkoittaa, että energiaa voidaan siirtää järjestelmien välillä, mutta sen kokonaismäärä pysyy vakiona. Toisen pääsäännön mukaan lämpö ei voi koskaan siirtyä kylmemmästä kohteesta lämpimämpään kohteeseen ilman ulkoista vaikutusta. Lämpö siirtyy aina luonnollisesti korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan.
Näiden lakien perusteella voidaan todeta, että absoluuttista nollapistettä on mahdotonta saavuttaa, koska se edustaa alinta energiatilaa, josta energian siirtyminen olisi mahdotonta.
Kelvinin lämpöasteikko
Absoluuttisen nollapisteen mittayksikkönä käytetään Kelvin-asteikkoa. Kelvin-asteikko on absoluuttinen lämpötila-asteikko, jossa absoluuttinen nollapiste vastaa nollaa Kelviniä. Tämä asteikko on nimetty skotlantilaisen fyysikon William Thomsonin, joka tunnetaan myös nimellä Lord Kelvin, mukaan.
Kelvin-asteikko on suhteellinen asteikko, jossa lämpötila ilmaistaan positiivisina lukuina. Tämä tarkoittaa, että absoluuttinen nollapiste vastaa nollaa Kelviniä ja lämpötila kasvaa positiivisesti tästä lähtien. Kelvin-asteikkoa käytetään laajasti tieteellisissä mittauksissa ja lämpötilan laskelmissa, koska se perustuu absoluuttiseen nollapisteeseen ja tarjoaa tarkan mittayksikön energian tason ja lämpötilan arvioimiseksi.
Teoreettiset rajoitukset absoluuttisen nollapisteen saavuttamisessa
Absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen kohtaa useita teoreettisia rajoituksia. Yksi näistä rajoituksista liittyy entropiaan, joka on järjestelmän epäjärjestyksen tai kaaoksen mitta. Toisen pääsäännön mukaan entropia kasvaa aina luonnollisesti eristetyssä järjestelmässä. Koska absoluuttisessa nollapisteessä järjestelmän entropia olisi nolla, sen saavuttaminen vaatisi entropian vähenemistä, mikä on teoreettisesti mahdotonta.
Toinen rajoitus liittyy kvanttikasvun estämiseen. Kvanttikasvu on ilmiö, jossa hiukkasilla on tiettyjä diskreettejä energiatasoja, jotka ne voivat omaksua. Kvanttikasvun rajoituksen vuoksi hiukkaset eivät voi menettää energiaa mielivaltaisesti ja laskea lämpötilaa loputtomasti. Tämä asettaa käytännön rajoituksia lämpötilan laskemiselle ja absoluuttisen nollapisteen saavuttamiselle.
Jäähdytysjärjestelmien haasteet
Absoluuttisen nollapisteen lähestyminen vaatii erittäin tehokkaita jäähdytysjärjestelmiä. Jäähdytysjärjestelmien tavoitteena on poistaa lämpöä järjestelmästä ja alentaa sen lämpötilaa. Tämä voidaan saavuttaa useilla menetelmillä, kuten kompressiokylmälaitteilla, kylmäkoneilla, termoelektrisillä jäähdytysjärjestelmillä ja jopa laserjäähdytyksellä.
Jäähdytysjärjestelmien tehokkuuden lisääntyessä olemme pystyneet saavuttamaan erittäin alhaisia lämpötiloja, mutta absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen on edelleen haaste. Jäähdytysjärjestelmät kohtaavat kvanttimekaniikan asettamat rajoitukset, jotka estävät lämpötilan laskemisen äärettömyyteen.
Kvanttimekaniikan vaikutus
Kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka tutkii hiukkasten käyttäytymistä mikroskooppisella tasolla. Se perustuu kvanttifysiikan periaatteisiin, jotka kuvaavat hiukkasten aaltohiukkasluonteen ja epätarkkuuden. Kvanttifysiikan perusperiaatteet, kuten Heisenbergin epätarkkuusperiaate, rajoittavat tarkkuutta, jolla voimme mitata hiukkasten ominaisuuksia ja sijaintia.
Heisenbergin epätarkkuusperiaate määrittelee, että ei ole mahdollista tarkasti mitata ja tuntea hiukkasen paikkaa ja liikemäärää samanaikaisesti. Mitä tarkemmin mitataan hiukkasen paikka, sitä epätarkemmin voidaan tietää sen liikemäärä ja päinvastoin. Tällä perusteella absoluuttisen nollapisteen lähestyminen kohtaa kvanttifluktuaatioiden ja hiukkasten epätarkkuuden kasvun, mikä tekee absoluuttisen nollapisteen saavuttamisesta mahdottoman tehtävän.
Kokeelliset yritykset absoluuttisen nollapisteen saavuttamiseksi
Vaikka absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen on teoreettisesti mahdotonta, tutkijat ovat tehneet lukuisia kokeita ja yrityksiä lähestyä tätä alinta lämpötilaa. Kokeellisilla menetelmillä on saavutettu erittäin alhaisia lämpötiloja, mutta absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen on edelleen tavoittamattomissa.
Yksi kokeellinen menetelmä on laserjäähdytys, joka käyttää lasereita alentamaan hiukkasten lämpötilaa. Tämä menetelmä on osoittautunut erittäin tehokkaaksi ja on mahdollistanut lämpötilojen laskemisen lähelle absoluuttista nollapistettä. Toisessa kokeessa tutkijat käyttivät Bose-Einsteinin kondensaatiota, joka on kvanttikasvun ilmiö, jossa hiukkaset tiivistyvät alimpiin energiatiloihin. Tämäkään menetelmä ei kuitenkaan johda absoluuttisen nollapisteen saavuttamiseen.
Matalan lämpötilan sovellukset
Vaikka absoluuttisen nollapisteen saavuttaminen on osoittautunut mahdottomaksi, matalien lämpötilojen sovelluksilla on monia käytännön hyötyjä. Matalan lämpötilan fysiikkaa ja tekniikkaa sovelletaan laajasti eri aloilla, kuten lääketieteessä, elektroniikassa ja materiaalitutkimuksessa.
Eräs sovellusalue on suprajohtavuus, joka on ilmiö, jossa tietyissä lämpötiloissa materiaalit menettävät sähkövastuksensa ja pystyvät johtamaan sähköä ilman energiahäviöitä. Suprajohtavuutta käytetään laajasti magneettien, sähkömoottoreiden ja tietokoneiden kehittämisessä. Matalan lämpötilan sovelluksia hyödynnetään myös kvanttitietokoneiden, kryokirurgian ja astrofysiikan tutkimuksessa.