Mutlak Sıfır Neden Ulaşılamaz?
Kelvin ölçeğinin dibi neden bir hedef değil bir sınırdır? Mutlak sıfırın neden son adımda ulaşılamadığını ve hareketin bitmediğini anlatıyoruz.
Termometrede sıfır, suyun donduğu yer gibi durur. O sıfır bir başlangıç değil, insanların seçtiği bir çizgidir. Kelvin ölçeği başka bir yere bağlanır. Mutlak sıfır, 0 kelvindir ve yaklaşık eksi 273,15 santigrat derecedir. Bu dip, bir hedef tahtası değildir. Sonlu sayıda adımla üzerine basılamayan bir sınırdır.
Neden bir dip var
Sıcaklık, parçacıkların rastgele hareketinin bir ölçüsüdür. Soğutmak, bu hareketin payını azaltmaktır. Azaltmak, her seferinde kalan payın bir kısmını dışarı atmaktır. Kalan pay küçüldükçe bir sonraki azalmayı sağlamak zorlaşır. Üçüncü yasa, bu zorluğu bir ilkeye bağlar. Mutlak sıfıra sonlu sayıda işlemle ulaşılamaz.
İkinci yasa ısının yönünü konuşur. O yön ayrı bir yazıda anlatılır. Üçüncü yasa başka bir cümledir. Dip vardır ve dip bir varış noktası olarak kullanılamaz. İkisini tek yasa sanmak, soğumanın neden durduğunu yanlış rafa koyar.
Hareket bitmez
Klasik resimde mutlak sıfır, her parçacığın durduğu yerdir. Kuantum kuramı bu resmi tamamlar. Enerjinin en alt durumunda bile bir artık hareket kalır. Buna sıfır noktası hareketi denir. Parçacıklar, dipte bile bir miktar kıpırdanır. Kıpırdanma, termometrenin bozuk olduğu anlamına gelmez. En alt enerji düzeyinin sıfır olmadığı anlamına gelir.
Bu yüzden mutlak sıfıra varmak, evreni dondurup her şeyi heykel yapmak değildir. Ulaşılamayan sınırda bile kuantum hareketi yerindedir. Soğuk, klasik anlamda mutlak hareketsizlik vaat etmez.
Laboratuvar ne kadar iner
Laboratuvarlar kelvinin çok küçük kesirlerine inmiştir. Bu rekorlar, sınırın aşıldığı anlamına gelmez. Sınıra yaklaşıldığı anlamına gelir. Her yeni adım daha çok yalıtım, daha dikkatli bir manyetik alan ve daha sabırlı bir soğutma ister. Bir sonraki adım, öncekinden daha pahalıdır. Pahalı olmak, ilkenin ticari bir hali değildir. Kalan enerji payı küçüldükçe dışarı atmanın zorlaşmasıdır.
Bu soğuklarda madde alışılmadık haller gösterir. Bazı iletkenler direncini yitirir. Bazı atom toplulukları tek bir kuantum durumu gibi davranır. Bu haller, mutlak sıfıra varıldığı için değil, ona yeterince yaklaşıldığı için görünür. Yakınlık, varış değildir.
Günlük sıfır ile karışmasın
Hava eksi on derece diye haber olur. Bu, mutlak sıfırın onda biri bile değildir. Celsius sıfır, suyun donma noktasıdır. Kelvin sıfır, enerji merdiveninin dibidir. İkisini aynı soğuk sanmak, bir şehirdeki sıfır rakımı ile okyanus tabanını bir saymaktır.
Ölçüm de burada incelir. Çok düşük sıcaklıkta sıradan bir cıva termometresi işlemez. Sıcaklık, direnç, basınç ya da atomların dağılımı üzerinden okunur. Okuma, ölçünün neyi saydığını bilmeyi ister. Sayı küçük diye belirsizlik de küçük değildir. Tam tersine, dibe yaklaştıkça küçük bir hata büyük bir oran olur.
Sık sorulan sorular
Mutlak sıfır eksi 273 müdür?
Yaklaşık eksi 273,15 santigrat derecedir. Bu, 0 kelvindir. Celsius sıfır ise suyun donduğu yerdir. İki sıfır aynı çizgi değildir.
Laboratuvar oraya vardı mı?
Hayır. Çok yaklaşılmıştır. Sonlu sayıda adımla tam dip bir varış noktası değildir. Rekor, sınırı aşmak demek değildir.
Mutlak sıfırda her şey durur mu?
Klasik resim bunu söyler. Kuantum kuramında en alt enerji düzeyinde bile bir artık hareket kalır. Dip, heykel gibi bir hareketsizlik vaat etmez.