Was ist die absolute Null in der Wissenschaft?

Absoluter Nullpunkt ist der Punkt, an dem gemäß der absoluten oder thermodynamischen Temperaturskala keine Wärme mehr aus einem System abgeführt werden kann. Dies entspricht null Kelvin oder minus 273,15 C. Dies ist null auf der Rankine-Skala und minus 459,67 F..

Die klassische kinetische Theorie geht davon aus, dass der absolute Nullpunkt die Abwesenheit der Bewegung einzelner Moleküle darstellt. Experimentelle Beweise zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist: Vielmehr deutet dies darauf hin, dass Partikel beim absoluten Nullpunkt eine minimale Schwingungsbewegung haben. Mit anderen Worten, während Wärme bei absolutem Nullpunkt nicht aus einem System abgeführt werden kann, repräsentiert absoluter Nullpunkt nicht den niedrigstmöglichen Enthalpiezustand.

In der Quantenmechanik steht der absolute Nullpunkt für die niedrigste innere Energie von Feststoffen im Grundzustand.

Absoluter Nullpunkt und Temperatur

Die Temperatur beschreibt, wie heiß oder kalt ein Objekt ist. Die Temperatur eines Objekts hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der seine Atome und Moleküle schwingen. Obwohl der absolute Nullpunkt Schwingungen mit ihrer langsamsten Geschwindigkeit darstellt, stoppt ihre Bewegung niemals vollständig.

Ist es möglich, die absolute Null zu erreichen?

Bisher ist es nicht möglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, obwohl sich Wissenschaftler dem angenähert haben. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) erreichte 1994 eine Rekordkältetemperatur von 700 nK (Milliardstel Kelvin). Die Forscher des Massachusetts Institute of Technology stellten 2003 einen neuen Rekord von 0,45 nK auf.

Negative Temperaturen

Physiker haben gezeigt, dass es möglich ist, eine negative Kelvin- (oder Rankine-) Temperatur zu haben. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Partikel kälter als der absolute Nullpunkt sind. es ist vielmehr ein Hinweis darauf, dass die Energie abgenommen hat.

Dies liegt daran, dass die Temperatur eine thermodynamische Größe ist, die Energie und Entropie in Beziehung setzt. Wenn sich ein System seiner maximalen Energie nähert, beginnt seine Energie abzunehmen. Dies tritt nur unter besonderen Umständen auf, wie in Quasi-Gleichgewichtszuständen, in denen der Spin nicht mit einem elektromagnetischen Feld im Gleichgewicht ist. Eine solche Aktivität kann jedoch zu einer negativen Temperatur führen, obwohl Energie hinzugefügt wird.

Seltsamerweise kann ein System mit einer negativen Temperatur als heißer angesehen werden als eines mit einer positiven Temperatur. Dies liegt daran, dass die Wärme in der Richtung definiert wird, in die sie fließt. Normalerweise strömt in einer Welt mit positiven Temperaturen Wärme von einem wärmeren Ort wie einem heißen Ofen zu einem kühleren Ort wie einem Raum. Wärme würde von einem negativen System zu einem positiven System fließen.

Am 3. Januar 2013 bildeten Wissenschaftler ein Quantengas aus Kaliumatomen, das in Bewegungsfreiheitsgraden eine negative Temperatur aufwies. Davor haben Wolfgang Ketterle, Patrick Medley und ihr Team 2011 die Möglichkeit einer negativen absoluten Temperatur in einem Magnetsystem aufgezeigt.

Neue Untersuchungen zu negativen Temperaturen enthüllen zusätzliches mysteriöses Verhalten. Zum Beispiel hat Achim Rosch, ein theoretischer Physiker an der Universität zu Köln in Deutschland, berechnet, dass sich Atome bei einer negativen absoluten Temperatur in einem Gravitationsfeld "nach oben" bewegen und nicht nur "nach unten". Ein Gas unter Null ahmt möglicherweise die Dunkle Energie nach, wodurch das Universum gezwungen wird, sich gegen die innere Anziehungskraft immer schneller auszudehnen.

Quellen

Merali, Zeeya. "Quantengas geht unter den absoluten Nullpunkt." Natur, März 2013. doi: 10.1038 / nature.2013.12146.

Medley, Patrick et al. "Spin Gradient Demagnetization Cooling von ultrakalten Atomen." Physical Review Letters, vol. 106, nein. 19. Mai 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.