فهرست مطالب
با وجود پیشرفتهای خیرهکننده بشر در زمینه فناوریهای سرمایشی، قوانین بنیادین ترمودینامیک همچون سدی محکم، مانع از رسیدن کامل ما به دمای صفر مطلق میشوند. در حالی که بیشتر مردم جهان با مقیاس سلسیوس (سانتیگراد) و بخش کوچکی با فارنهایت سر و کار دارند، زبان مشترک و محبوب دانشمندان مقیاس کلوین است.
تفاوت هر درجه در مقیاس کلوین دقیقاً معادل یک درجه سلسیوس است، اما تفاوت اصلی در نقطه شروع آنهاست؛ کلوین از ۲۷۳٫۱۵- درجه سلسیوس آغاز میشود. دلیل این عدد به ظاهر عجیب این است که صفر کلوین نمایانگر صفر مطلق است؛ یعنی نقطهای در کیهان که در آن هیچگونه حرارت و گرمایی وجود خارجی ندارد.
با این وجود، هیچ پدیدهای در هستی جهان — نه سرمای استخوانسوز فضای میانستارهای و نه پیشرفتهترین آزمایشگاههای ساخت دست بشر — نمیتواند دقیقاً به این نقطه برسد. طبق قوانین تغییرناپذیر فیزیک، لمس دقیق صفر کلوین محال است. اگرچه دانشمندان موفق شدهاند به دماهای حیرتانگیز ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۴ کلوین دست یابند، اما سوال اینجاست: چرا برداشتن این گام نهایی غیرممکن است؟
دما در حقیقت بیانگر چیست؟
برای درک این موضوع، ابتدا باید بدانیم دما واقعاً چه چیزی را میسنجد. دما در اصل معیاری برای اندازهگیری انرژی جنبشی و حرکت اتمها و مولکولهاست. این انرژی باعث میشود ذرات در مواد جامد به لرزش درآیند و در گازها و مایعات با الگوهای تصادفی و پر هرج و مرج حرکت کنند. هرچه میانگین این انرژی درون یک ماده بیشتر باشد، جنب و جوش ذرات سریعتر و در نتیجه دمای آن ماده بالاتر خواهد بود.
هنگامی که دما به مرزهای صفر کلوین نزدیک میشود، این جنب و جوش مولکولی به پایینترین حد خود میرسد. شاید منطقی به نظر برسد که با استخراج آخرین ذرات گرما، این حرکت برای همیشه متوقف شود و به صفر مطلق برسیم؛ اما قانون سوم ترمودینامیک این اجازه را به ما نمیدهد.
دیوار آجری ترمودینامیک
قانون سوم ترمودینامیک نیز مانند قوانین اول و دوم، تعاریف گوناگونی دارد. سادهترین و قابلفهمترین بیان آن توسط فیزیکدانی به نام «والتر نرنست» ارائه شد: «هیچ فرآیندی وجود ندارد که بتواند در تعداد مراحل محدود، دمای یک سیستم را به صفر مطلق برساند.»
به بیان سادهتر، برای اینکه بتوانید یک سیستم را به صفر مطلق برسانید، باید بینهایت بار از آن انرژی استخراج کنید؛ عملی که در دنیای واقعی و فیزیکی ما غیرممکن است. نرنست این قانون را از طریق آزمایشهای خنکسازی تدریجی کشف کرد. او متوجه شد هرچقدر هم که ماده را سرد کند، همیشه مقدار ناچیزی گرما باقی میماند. امروزه فیزیکدانان ثابت کردهاند که رسیدن به این نقطه به زمان بینهایت نیاز دارد؛ یعنی عمر جهان هستی برای رسیدن یک جسم به صفر مطلق کافی نیست!
چگونه به مرزهای یخزده کیهان نزدیک میشویم؟
مکانیزم سرد کردن مواد معمولاً بر اساس چرخههای تبرید است؛ شبیه به کاری که یخچال خانه شما انجام میدهد. در این روش، گاز فشرده و داغ میشود، سپس گرمای خود را به محیط داده و با انبساط ناگهانی، به شدت سرد میشود. با تکرار مداوم این چرخه میتوان دما را کاهش داد.
با استفاده از این الگو، دانشمندان هلیوم را تا منفی ۲۶۹ درجه سلسیوس (تنها ۴ درجه بالاتر از صفر مطلق) سرد میکنند. برای نفوذ به دماهای پایینتر، از ایزوتوپهای نادری مانند هلیوم-۳ و روشهای پیچیدهتری نظیر مغناطیسزدایی هستهای بهره میگیرند.
یکی از شگفتانگیزترین روشها، سرمایش لیزری است. در این تکنیک، اتمها توسط پرتوهای متقاطع لیزر به دام میافتند و سرعتشان به شدت کاهش مییابد که به معنای از دست دادن انرژی و سرد شدن است. این کشف خارقالعاده که جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۹۷ را به همراه داشت، میتواند دما را به کمتر از یک میلیاردیم درجه کلوین برساند. با این حال، حتی این روشهای فوقپیشرفته نیز نمیتوانند قانون سوم ترمودینامیک را نقض کنند.
آیا دماهای منفی سردتر از صفر مطلق هستند؟
ممکن است در مقالات علمی با اصطلاح «دمای منفی» برخورد کرده باشید و تصور کنید این دماها از صفر مطلق سردترند. اما این تنها یک خطای مفهومی در نامگذاری است! در علم مکانیک آماری، شرایط بسیار خاص و نادری وجود دارد که با اضافه کردن انرژی به سیستم، بینظمی (آنتروپی) آن کاهش مییابد.
سیستمهایی که دارای دمای منفی هستند، نه تنها سرد نیستند، بلکه به شدت داغ و پرانرژیاند. اگر یک سیستم با دمای منفی در کنار یک محیط با دمای مثبت (عادی) قرار بگیرد، گرما به شدت از سیستم منفی به سمت محیط مثبت سرازیر میشود.
