V-aţi întrebat cât de jos poate coborî temperatura pe Terra? Dar cât de rece este spaţiul cosmic? Care este cel mai rece loc din univers? Ce este zero absolut, ce valoare are el şi ce se întâmplă cu materia ajunsă la această temperatură extremă?
Atunci când măsurăm temperatura, în fapt înregistrăm energia cinetică medie a particulelor ce constituie lucrul măsurat. Căldura este, simplu spus, vibrația ori mişcarea particulelor. În cazul lichidelor ori gazelor, ciocnirea moleculelor, care se mişcă mult mai liber decât în solide, duce la o creştere a căldurii. Astfel, atunci când încălziţi o cană cu apă în cuptorul cu microunde ori pe aragaz, ceea ce faceţi este ca prin bombardarea cu microunde ori prin intermediul flăcării aragazului să determinaţi o „răzvrătire” a moleculelor de apă care, lovindu-se haotic unele de altele, produc (echivalează cu) încălzirea lichidului.
În cazul solidelor situaţia este un pic diferită. Atomii sunt prinşi ferm într-o structură matriceală ce nu le permite mişcări ample, dintr-o parte în alta a solidului. Atunci când solidul devine fierbinte, atomii acestuia intră într-o stare de agitaţie teribilă, agitaţie ce se concretizează într-o radiaţie electromagnetică din gama undelor infraroşii pe care o simţiţi atunci când vă apropiaţi mâna de un metal încins, de exemplu.
Ce este „zero absolut”?
În timp ce căldura este rezultatul mişcării particulelor unei substanţe, zero absolut este starea materiei ale cărei molecule ori atomi au încetat să se mai mişte. Nimeni nu a reuşit să creeze în laborator această stare a materiei şi legea a treia a termodinamicii afirmă că nici nu este posibil de atins o valoare atât de mică a temperaturii. Nicăieri în universul cunoscut temperatura nu este atât de scăzută.
Cât de rece este universul?
Cea mai scăzută temperatură înregistrată pe Pământ a fost de -89,4o C în Vostok (staţie rusească din Antarctica) în anul 1983. După cum aţi observat cu ocazia unei vizite într-o zonă de munte (ori una la câmpie, dacă locuiţi la munte), temperatura terestră se modifică în funcţie de altitudine. De vă veţi aventura pe Everest, veţi observa cum pe măsură ce avansaţi cu urcuşul, temperaturile de vară din Bucureşti devin repede uitate. Iar de aţi putea urca pe o frânghie adânc în depărtarea spaţiului extra-terestru, aţi observa cum temperaturile devin din ce în ce mai scăzute, coborând mult sub zero grade Celsius. La 10.000 de metri, altitudinea la care evoluează în mod normal avioanele de pasageri, termometrul consemnează o temperatură în jur de -75o C. În spaţiul gol interstelar aţi putea experimenta temperaturi de numai 2,7 K (-270,3oC), iar dacă aţi atinge zona din spaţiu denumită Boomerang Nebula (aflată la 5 mii de ani lumină depărtare de Pământ), aţi putea spune că aţi ajuns în cel mai friguros loc al universului cunoscut, la numai un grad K peste zero absolut. De ce nu avem zero absolut în spaţiu? Pentru că există o radiaţie termică fundamentală, produs al momentului naşterii universului, Big Bangul, care este prezentă în tot universul şi care este responsabilă de acea căldură de numai 2,7o K, aşa cum am arătat mai sus.
Termometrul lui Kelvin
Conceptul de zero absolut a fost propus de Robert Boyle în 1665. Guillaume Amontons, în 1702, a stabilit ca valoare minimă temperatura de -240 C. Ulterior, Johann Heinrich Lambert, a aproximat valoarea lui zero absolut la -270 C. Alţi cercetători ai naturii, ca Laplace ori Lavoisier au stabilit valori pentru zero absolut între -1,500 şi -3000. John Dalton, în lucrarea sa Filozofia Chimiei, a stabilit ca cea mai scăzută temperatură cu putinţă -3000 C.
Kelvin (William Thomson) a abordat ideea lui zero absolut dintr-o perspectivă diferită de cea a predecesorilor lui. Acesta şi-a bazat cercetările pe observaţiile fizicianului francez Jacques-Alexandre-Cesar Charles. Charles a văzut că un gaz la 0 C mai poate fi răcit; pentru fiecare grad cu care este răcit, volumul acestuia scade cu 1/273 din volumul total. Kelvin a propus următoarea idee: temperatura unui gaz este reflecţia energiei cinetice a particulelor acestuia. Odată cu temperatura, descreşte şi agitaţia atomilor, care se mişcă din ce în ce mai încet, la -273 K rămânând practic fără energie, iar gazul va ajunge să aibă volum 0. Pornind de la această idee, Kelvin a renumerotat scala lui Celsius, numerotând cu 0 extremitatea de jos a valorilor de temperatură, temperaturile negative dispărând. Transformarea din grade Kelvin în grade Celsius este foarte simplă, fiind dată de relaţia:
Astfel, o temperatură de 100 K = -173 oC.
Cursa pentru zero absolut
Obţinerea unor temperaturi foarte mici se dovedeşte un lucru foarte util astăzi. Azotul lichid, de pildă, este uşor de răcit şi transportat, fiind folosit în spitale ori laboratoare pentru a ţine reci diferite substanţe. Fizicienii au încercat, chiar dacă fără succes deocamdată, obţinerea lui zero absolut. Şi sunt din ce în ce mai aproape, în 2003, la Massachusetts Institute of Technology atingându-se temperatura de 450 pK (picoKelvin=10-12). 1 nK = 10-9 K
E posibil de atins zero absolut?
Se consideră, în genere, că zero absolut este imposibil de atins. Întrucât schimbul de temperatură în natură se face de la cald la frig, de ce devin mai reci atomii, de aceea căldura din vecinătate este atrasă de zona rece. O altă dificultate este chiar actul măsurării lui zero absolut, pentru că odată intrat în contact cu lucrul măsurat, între termometru şi lucru are loc un schimb termic ce face imposibilă o măsurătoare corectă.
Pe de altă parte, trebuie spus că la temperaturi foarte scăzute apar comportări stranii ale materiei. Fenomene ca superconductivitatea ori efecte descrise de mecanica cuantică afectează mişcarea şi starea atomilor, fizicienii nefiind încă lămuriţi referitor la toate bizareriile lumii subatomice la 0 K.
Prin anii 20 ai secolului al XX-lea, Satyendranath Bose, fizician de origine indiană, analiza ideea transmiterii luminii prin intermediul unor pachete discrete de energie, ceea ce ulterior va purta denumirea de cuante de lumină ori fotoni. Având probleme cu publicarea cercetărilor sale, s-a gândit să trimită o scrisoare lui Einstein în care îl roagă pe acesta să-i citească ideile. Einstein a fost interesat de descoperirea lui Bose şi a dus mai departe efortul acestuia, aplicând aceleaşi reguli atomilor, calculând cum se comportă atomii într-un gaz. Rezultatele ecuaţiilor pentru cazul temperaturilor foarte mici erau atât de stranii, încât Einstein a crezut iniţial că trebuie să fie vreo greşeală. Şi asta pentru că la temperaturi foarte apropiate de zero absolut, majoritatea atomilor ajung în aceeaşi stare cuantică, cu nivele de energie foarte mici. Această stare a materiei este diferită de orice este întâlnit în natură în mod obişnuit, atomii ajungând la o stare de agregare care îi face să se comporte la unison. Aceştia par a-şi pierde individualitatea, ocupând acelaşi spaţiu comun, devenind indivizibili ori, după cum afirmă unii fizicieni, un superatom.
Condensatul Bose-Einstein a fost obţinut abia în 1995, în SUA, Colorado, de către cercetătorii Eric Cornell şi Carl Wieman. Aceştia au folosit laserul pentru a răci şi ţine la un loc atomii, apoi au folosit un procedeu numit „răcirea prin evaporare” (un tehnică de eliminare a celor mai energetici atomi din câmpul electromagnetic în care aceştia sunt prinşi). Deocamdată cantităţile de condensat obţinute sunt extrem de mici, de numai câteva milioane de atomi şi numai anumite tipuri de atomi pot fi răciţi şi aduşi în starea de condensat Bose-Einstein. Nu există o utilizare practică încă pentru acest produs al fizicienilor, dar multe dintre tehnologiile utile au pornit de la descoperiri ce păreau destinate doar disputelor cercetătorilor.
