رسیدن به دمای صفر مطلق شدنی است؟

برای پاسخ دادن به این سوال، باید به این موضوع بپردازیم که در واقع دما چیست؟ ما عادت داریم تا فاکتور دما را برای اعلام گرم یا سرد بودن چیزی اعلام کنیم؛ اما واقعیت این است که دما معیاری از انرژی یا ارتعاشات همه ذرات یک سیستم است. اجسام داغ انرژی بیشتری دارند؛ در نتیجه ذرات آنها ارتعاش سریع‌تری خواهند داشت. نقطه‌ای که در آن ذرات فاقد انرژی هستند و درنتیجه حرکتی نمی‌کنند، چیزی است که به‌عنوان دمای صفر مطلق تعریف می‌شود.

تلاش دانشمندان برای رسیدن به صفر مطلق

دانشمندان علاقه زیادی دارند تا به این دماهای پائین دست پیدا کنند؛ چرا که با کاهش سرعت ذرات، چند اثر کوانتومی جذاب در آنها ظاهر می‌شود. سانکالپا گوش، فیزیکدان نظری ماده چگال درموسسه فناوری دهلی هند در این رابطه گفت:« یک اصل اساسی در مکانیک کوانتوم، دوگانگی موج-ذره است. پدیده‌ای که در آن ذره‌ای مثل فوتون نور می‌تواند مثل ذره یا موج رفتار کند.»

او دراین رابطه گفت:« در هنگام برخورد با ذرات مکانیکی کوانتومی، مهم این است که "غیرقابل تشخیص بودن" آنها را در نظر داشته باشیم. این امکان وجود ندارد که ذرات و امواج را به شکل جداگانه ردیابی کنیم. این کاری است که در مورد اجسام بزرگتر، قادر به انجام آن هستیم. منشا این را می‌توان به اصل عدم قطعیت معروف هایزنبرگ برگرداند که طی آن ماهیت احتمالی آن اندازه‌گیری مکانیکی کوانتومی را با کمیت تعیین می‌کند (بدین معنا که وقتی موقعیت یک ذره به صورت دقیق اندازه‌گیری می‌شود، تکانه آن با دقت کمتری شناخته می‌شود و بالعکس). این ماهیت احتمالی به یک ذره مکانیکی کوانتومی، یک ویژگی موج مانند می‌دهد.»

وسعت این رفتار موج مانند کوانتوم، با نسبت فواصل بین ذره که در سیستم تحت عنوان طول موج حرارتی De Broglie شناخته می‌شود، مطرح خواهد شد. در دماهای معمولی، این رفتار کوانتومی ناچیز است؛ اما با پائین آمدن دما و سرد شدن ذرات، اثرات عجیبی را شاهد خواهیم بود.

گوش ادامه داد:« این نسبت با کاهش دما بزرگتر شده و در صفر مطلق، بی‌نهایت است. پدیده‌های کوانتومی مثل سیالیت فوق‌العاده (جریان بدون اصطکاک)، ابررسانایی (جریان بدون مقاومت) و چگالش اتمی فوق سرد همه به همین دلیل اتفاق می‌افتند.»

در آزمایش‌های اولیه فوق سرد در دهه ۱۹۹۰، برای شروع بررسی این اثرات از تکنیکی به نام خنک‌کننده لیزری استفاده کردند. کریستوفر فوت، فیزیک‌دان فوق سرد دانشگاه آکسفورد دراین رابطه گفت:« نور، نیرویی بر اتم‌ها وارد می‌کند که آنها را تا دمای پائین ۲۷۲.۱۵- سانتیگراد (یا یک کلوین) کاهش می‌دهد. این سرعت برای مشاهده رفتار کوانتومی در جامدات و مایعات به اندازه کافی پائین است ولی درباره گازهایی که مورد مطالعه قرار می‌گیرند، برای دریافت این اثرات کوانتوم، به دمای ۱۰ نانوکلوین نیاز داریم.»

پائین‌ترین دمای ثبت شده

پائین‌ترین دمایی که تا به امروز در یک آزمایشگاه ثبت شده، در سال ۲۰۲۱ و توسط گروهی در آلمان ایجاد شده. اعضای این تیم، اتم‌های گاز مغناطیسی شده را در یک برج ۱۲ متری به پائین راندند و دائما میدان مغناطیسی را روشن و خاموش می‌کردند تا سرعت ذرات را آنقدر کند کنند تا تقریبا به حالت ساکن در بیایند. در این آزمایش که تحت عنوان خنک‌سازی تله مغناطیسی شناخته می‌شود، ذرات گاز به دمای باورنکردنی ۳۸ پیکوکلوین (۳۸ تریلیونم درجه سانتیگراد بالاتر از صفر مطلق که کاملا محدوده ای برای شروع مشاهده اثرات کوانتوم در گازهاست) می‌رسند.

اما آیا تلاش برای خنک کردن بیشتر مواد مفید است؟ طبق گفته فوت، احتمالا نه. او در این رابطه گفت:« تمایل ما به مشاهده اثرات کوانتومی به مراتب بیشتر از رسیدن به دمای صفر مطلق است. اتم‌های خنک شده با لیزر قبلا در استانداردهای اتمی که زمان بین‌المللی (ساعت‌های اتمی) را تعریف می‌کنند و در رایانه‌های کوانتومی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. کار در دماهای پائین‌تر هنوز در مرحله تحقیق است و مردم از این متدها برای آزمایش نظریه‌های فیزیکی جهانی استفاده می‌کنند.»

در حال حاضر این امکان وجود ندارد تا آن ۳۸ تریلیونم درجه نهایی را کاهش داد و البته برای محقق کردن این هدف، باید موانع دیگر را نیز از پیش رو برداشت. در حقیقت حتی اگر به دمای صفر مطلق برسیم هم ممکن است به دلیل تکنیک‌های اندازه‌گیری غیردقیق، آن را از دست بدهیم.

فوت ادامه داد:« با ابزارهای فعلی، نمی‌توان تشخیص داد که آیا دما صفر است یا یک دمای بسیار بسیار پائین. برای اندازه‌گیری دمای صفر مطلق، در واقع به یک دماسنج بی نهایت دقیق نیاز دارید و این فراتر از سیستم‌های اندازه‌گیری فعلی ماست.»