În timp ce majoritatea globului folosește gradele Celsius, iar SUA se agață de Fahrenheit, oamenii de știință preferă scara Kelvin. Un grad Kelvin este echivalent cu un grad Celsius, însă scara pornește de la un punct cu 273,15 grade mai jos. Acest număr pare arbitrar, dar are o logică precisă: plasează 0 Kelvin la zero absolut, punctul teoretic în care nu mai există deloc căldură.
Cu toate acestea, nimic din univers – nici măcar vidul înghețat al spațiului cosmic – nu a atins vreodată zero absolut. Și, dacă înțelegerea noastră fundamentală a fizicii este corectă, nimic nu va atinge vreodată 0 K, deși am reușit să ne apropiem la temperaturi incredibile, de 0,00000000004 K. Așadar, de ce este imposibil să atingem zero absolut?
Ce este, de fapt, temperatura?
Energia face ca atomii și moleculele să se miște. Într-un solid, acestea vibrează, în timp ce în lichide sau gaze se deplasează haotic. Cu cât energia medie a unei substanțe este mai mare, cu atât particulele sale se mișcă mai repede, iar temperatura sa este mai ridicată.
Pe măsură ce temperatura scade spre 0 K, această mișcare încetinește dramatic. Intuitiv, am putea crede că, dacă extragem și ultima fărâmă de căldură, mișcarea se va opri complet și vom ajunge la zero absolut. Aici intervine însă a treia lege a termodinamicii, adesea ignorată în favoarea surorilor sale mai faimoase.
O călătorie fără sfârșit
La fel ca primele două, a treia lege a termodinamicii poate fi exprimată în mai multe moduri. Formularea originală a lui Walther Nernst este probabil cea mai clară: „Este imposibil pentru orice procedură să conducă la izoterma T=0 într-un număr finit de pași”. Altfel spus, pentru a ajunge la zero absolut, energia trebuie extrasă dintr-un sistem de un număr infinit de ori. Evident, acest lucru este imposibil.
Nernst a ajuns la această concluzie prin experimente, observând că, oricât de mult ar fi răcit o substanță, întotdeauna mai rămânea o cantitate reziduală de căldură. Niciun proces de răcire nu putea elimina toată energia dintr-o singură mișcare. Ulterior, mecanica statistică a confirmat că această concluzie poate fi derivată matematic din celelalte legi ale termodinamicii.
Mai recent, s-a demonstrat că atingerea lui zero absolut este imposibilă într-un interval finit de timp, ceea ce înseamnă că ar fi nevoie de un univers infinit de vechi pentru ca acest prag să poată fi atins.
Cum ne apropiem de zero absolut?
Pentru a răci un frigider la 0 °C, un ciclu de refrigerare transferă căldura în exterior. Un gaz este comprimat, se încălzește, iar această căldură este eliberată în mediul înconjurător. Apoi, gazul se extinde într-un spațiu izolat, răcindu-se brusc. Acest produs rece este trecut pe lângă obiectul ce trebuie răcit, absorbindu-i căldura.
Repetând acest proces de suficiente ori, heliul poate fi răcit la -269 °C (doar 4 K). O substanță scufundată în heliu lichid va atinge, în cele din urmă, aceeași temperatură. Această metodă ne aduce aproape de temperatura radiației cosmice de fond (2,7 K), o relicvă a Big Bang-ului. Folosind heliu-3, un izotop mai rar, putem coborî temperatura cu încă un grad.
Pentru temperaturi și mai scăzute, tehnicile devin mai complexe. Se utilizează procese precum demagnetizarea nucleară, unde câmpurile magnetice, în loc de presiune, aliniază și apoi eliberează polii magnetici ai nucleelor atomice pentru a le reduce energia.
Răcirea cu laser permite atingerea unor temperaturi cu mai puțin de o miliardime de grad peste zero absolut pentru cantități microscopice de materie. Tehnica, premiată cu Nobelul pentru Fizică în 1997, folosește lasere focalizate tridimensional pe un nor de atomi pentru a le frâna mișcarea. Laserele acționează ca o forță de frecare, încetinind atomii și forțându-i să piardă energie. Chiar și așa, o fărâmă de căldură tot rămâne. O metodă și mai exotică, numită lentilă cu undă de materie, a răcit atomii de rubidiu la temperaturi de 10 ori mai scăzute – un record impresionant, dar care tot nu atinge pragul final.
O clarificare: nu vă lăsați păcăliți de „temperaturile negative”
Uneori, fizicienii vorbesc despre „temperaturi negative”, un concept ce sună ca și cum ar fi mai rece decât zero absolut. Denumirea este însă înșelătoare. Acestea descriu sisteme în care adăugarea de energie duce la o scădere a entropiei (dezordinii), invers față de comportamentul normal.
Pentru ca acest lucru să fie posibil, sistemul trebuie să aibă o limită superioară de energie pe care o poate stoca, o condiție foarte neobișnuită. Aceste sisteme nu sunt super-reci; de fapt, sunt atât de „fierbinți” încât, în contact cu un mediu normal, vor ceda căldură acestuia, nu invers.
