فهرست مطالب
رسیدن به دمای صفر مطلق غیرممکن است، چرا که طبق قانون سوم ترمودینامیک برای حذف کامل انرژی حرارتی از هر سامانه باید بی‌نهایت مرحله سردسازی انجام شود.
به گزارش تکناک، در حالی که بیشتر کشورهای جهان از مقیاس سلسیوس برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند و ایالات متحده همچنان بر واحد فارنهایت پافشاری دارد، دانشمندان ترجیح می‌دهند دما را با مقیاس «کلوین» بیان کنند.
تفاوت اصلی کلوین با سلسیوس در نقطه آغاز آن است؛ صفر کلوین دقیقاً برابر با منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه سلسیوس است، یعنی همان نقطه‌ای که هیچ گرمایی در ماده وجود ندارد، که «صفر مطلق» است.
اما نکته شگفت‌انگیز این است که نه سرمای اعماق فضا و نه هیچ آزمایشگاه پیشرفته‌ای روی زمین تاکنون نتوانسته است به دمای صفر مطلق برسد. حتی پیشرفته‌ترین فناوری‌های سرمایشی بشر تنها توانسته‌اند به دمای ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۴ کلوین نزدیک شوند. به گفته فیزیک‌دانان، اگر درک ما از قوانین ترمودینامیک درست باشد، هیچ‌گاه امکان رسیدن به دمای دقیق صفر مطلق وجود نخواهد داشت.
دما و مفهوم انرژی
دما در واقع نشان‌دهنده میانگین انرژی جنبشی ذرات یک ماده است. هرچه انرژی بیشتری در ماده وجود داشته باشد، اتم‌ها و مولکول‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند و در نتیجه دما بالاتر می‌رود. این حرکت با کاهش دما، کند می‌شود تا جایی که در نزدیکی صفر کلوین، اتم‌ها تقریباً بی‌حرکت می‌شوند. منطقی به نظر می‌رسد که اگر اندکی دیگر از انرژی حرارتی گرفته شود، حرکت به طور کامل متوقف گردد، اما این تصور با قانون سوم ترمودینامیک در تضاد است.
قانون سوم ترمودینامیک؛ مانعی بنیادین
قانون سوم ترمودینامیک که نخستین‌بار توسط والتر نرنست، فیزیک‌دان آلمانی در اوایل قرن بیستم مطرح شد، تصریح می‌کند: «هیچ فرایندی نمی‌تواند در تعداد محدودی از مراحل، دمای صفر مطلق را به‌دست آورد.» به بیان ساده‌تر، برای رسیدن به صفر مطلق باید بی‌نهایت بار انرژی از یک سیستم گرفته شود؛ کاری که عملاً غیرممکن است.
نرنست این قانون را بر اساس آزمایش‌های سرمایشی متعدد پایه‌گذاری کرد؛ در هر مرحله از سردسازی، اندکی گرما در ماده باقی می‌ماند و مانع از دستیابی کامل به صفر مطلق می‌شد. بعدها، مکانیک آماری نیز نشان داد که این نتیجه را می‌توان از دل دیگر قوانین ترمودینامیک استخراج کرد.
تحقیقات جدیدتر نیز تأیید کرده‌اند که حتی در بازه زمانی محدود هم نمی‌توان به صفر مطلق رسید. در واقع، برای تحقق چنین شرایطی باید جهانی بی‌نهایت قدیمی وجود داشته باشد.
فناوری‌های نزدیک به دمای صفر مطلق
در آزمایشگاه‌ها برای رسیدن به پایین‌ترین دماها از چند روش مختلف استفاده می‌شود. نخستین و ساده‌ترین روش، چرخه سرمایش است که اساس کار یخچال‌ها نیز بر آن بنا شده است. در این فرایند، گاز با فشرده‌سازی گرم می‌شود، سپس گرمای آن دفع و پس از انبساط، دمای آن کاهش می‌یابد. با تکرار این چرخه، می‌توان گاز هلیوم را تا منفی ۲۶۹ درجه سلسیوس — تنها چهار درجه بالاتر از صفر مطلق — سرد کرد.
برای رسیدن به دماهای پایین‌تر، از ایزوتوپ نادر هلیوم-۳ و روش‌های پیشرفته‌تری مانند «بی‌مغناطیس‌سازی هسته‌ای» استفاده می‌شود، که در آن میدان‌های مغناطیسی باعث کاهش انرژی حرارتی اتم‌ها می‌گردند.
در دهه‌های اخیر، روش نوآورانه‌تری به نام «سردسازی لیزری» تحول بزرگی در فیزیک دماهای پایین ایجاد کرده است. در این روش، چند پرتو لیزر در جهات مختلف بر ابر کوچکی از اتم‌ها تابیده می‌شود تا حرکت آنها را کُند کند. لیزرها مانند نیروی اصطکاک عمل می‌کنند و باعث کاهش سرعت و در نتیجه افت دما می‌شوند. این فناوری که در سال ۱۹۹۷ جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد، توانسته است دماهایی کمتر از یک میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق به‌دست آورد.
حتی با استفاده از روش‌های پیشرفته‌تری مانند «عدسی موج ماده» نیز دمای اتم‌های روبیدیوم ده برابر پایین‌تر از این مقدار کاهش یافته است. با وجود این، هیچ‌یک از این روش‌ها قادر نیستند آخرین ذره انرژی را از سیستم خارج کنند؛ در نتیجه، دمای صفر مطلق همچنان دست‌نیافتنی باقی می‌ماند.
دمای منفی؛ برداشت اشتباه از دمای صفر مطلق
گاه در گزارش‌های علمی اصطلاح «دمای منفی» مطرح می‌شود که ممکن است گمراه‌کننده باشد. این وضعیت به معنای سرمای بیش از صفر مطلق نیست. در واقع، در چنین سامانه‌هایی افزودن انرژی بیشتر باعث کاهش بی‌نظمی (آنتروپی) می‌شود. چنین شرایطی فقط در محیط‌های بسیار خاص و ناپایدار رخ می‌دهد و این سامانه‌ها به‌جای فوق‌سرد بودن، در واقع بسیار داغ هستند. اگر در تماس با محیط معمولی قرار گیرند، گرما از آنها به بیرون جریان پیدا می‌کند و بالعکس نیست.
در نهایت، هرچند انسان توانسته است به دماهایی حیرت‌انگیز نزدیک به صفر مطلق برسد، اما طبق قوانین بنیادی فیزیک، نقطه نهایی «صفر کلوین» همچنان مرزی است که هیچ فناوری — حتی در دورترین آینده — قادر به عبور از آن نخواهد بود.
