Füüsikud viisid gaasi temperatuuri alla absoluutse nulli ({{contentCtrl.commentsTotal}})

$content['photos'][0]['caption'.lang::suffix($GLOBALS['category']['lang'])]?>
Objektide kuumutamisel omandavad selle aatomid erineva energeetilised olekud.

Saksa füüsikud on esimest korda magnetväljade ja laserkiirtega loodud optilise võre abil suutnud viia ülikülma kaaliumi aatomitest koosneva gaasi temperatuuri alla absoluutse nulli, mis pakub uusi võimalusi eksootiliste aine olekute uurimiseks ja analoogiliste omaduste tõttu ka ehk tumeenergia olemuse kompamiseks.


Mil talvel on üha suurem võimalus näha akna taga asuva termomeetri näitu alla nulli langevat, oleks sama nähtus Kelvini temperatuuriskaalal mõõdetuna midagi enneolematut. Skaala peegeldab temperatuuri kontseptsiooni olemust – üksikute aatomite liikumist või kristallvõres võnkumist. Liikuvad osakesed kannavad kineetilist energiat. Mida kiiremini need liiguvad, seda suurem on ka nende energia ja temperatuur. Absoluutne nulltemperatuur ehk -273,15 C° märgib olukorda, kus üksikute aatomite liikumine täielikult peatuks. Nullpunkti ületamine on seega kujutletamatu.


Ent nagu füüsikud 1950. aastatel tõestasid, ei tähenda see sugugi, et negatiivsete temperatuuride allilma eksisteerida ei saaks. Pelgalt kineetilisele energiale toetuval temperatuuri definitsioonil olid omad puudused. Osakestel võis olla ka mitut teist tüüpi energiat. Isegi, kui need ei liikunud. Sääraste puhkude rahuldamiseks tuli leida midagi termodünaamika tugisammastele endale toetuvat. Temperatuur mõõdab seega fundamentaalsemalt objekti valmidust energiat loovutada ehk matemaatiliselt sõltub temperatuur süsteemi entroopiast ja energiast.


Parem definitsioon pakkus võimalust avada uusi uksi. Leiti, et osakeste kogumite puhul on võimalik arvutada tõenäosus sinna kuuluva osakese leidmiseks teatud energeetilisest olekust. Tavaelus võib oodata, et enamikel juhtudel on need madalaimas tavaolekus, vaid üksikud osakesed on kõrgemas energeetilises olekus. Teoreetiliselt on võimalik tekitada aga ka vastupidine olukord. Selleks tuleb ainult aatomite maksimaalsele võimalikule energiale kindlad piirid seada. Lõpmatusele läheneva temperatuuri ja seega ka maksimaalse entroopiaga süsteemile edasise energia andmisel juhtuks säärasel juhul midagi kummalist.


Schneider et./Science

Absoluutne temperatuur muutuks negatiivseks ning entroopia hakkaks lisaenergia saamisel hoopis vähenema, mis tooks kaasa näiliselt veidraid tagajärgi. Tüüpiliselt kandub soojus alati soojemalt kehalt külmemale. Ent samas kanduks energia negatiivse temperatuuriga kehalt alati positiivse temperatuuriga kehale. "Negatiivse temperatuuriga süsteemid on alati kuumemad kui positiivse temperatuuriga süsteemid," rõhutas Ulrich Schneider, uurimuse üks autoreid. Intuitsiooni trotsib tõdemus, et negatiivse temperatuuriga kehad vähendaksid oma energia äraandmisel ümbritseva keskkonna entroopiat ja seega selle kaootilisust.


Negatiivse temperatuurini jõudmine polnud saja tuhande aatomiga tehtud katses lihtsate killast. Esmalt pidi Schneider'i töörühm jahutama need mõne nanokelvinini üle absoluutse nulli. Seejärel lõi töörühm laserite abil optilise võre, mis nende potentsiaalset energiat ja liikumisvabadust – seega maksimaalset kineetilist energiat – vajalikul määral piiras. Pilve korrapärasust aitasid kindlustada aatomite omavahelised tõukejõud.


Viimaks muutis töörühm magnetväljadega osakestevaheliste vastastikmõjude suunda. "Magnetvälja muutmisega muutuvad eelnevad tõukejõud tõmbuvaks, tõmbuvad vastastikmõjud viivad loomulikult negatiivse rõhuni. Osakesed tahavad üksteise lähedal olla," selgitas Schneider.


Positiivsetel temperatuuridel järgneks sellele aatomite pilve kokkukukkumine. Ent antud juhul oli kaaliumi aatomitel ainuvõimalik optilise võre tõttu oma algset positsiooni säilitada. Protsessiga kaasnevalt tõusis aatomite temperatuur järsult rohkem kui 600 millisekundiks mõne miljardiku kraadini alla absoluutse nulli. "Teatud mõttes küllastab protsess süsteemi energiaga. Pärast järsku muutust ei ole aatomid enam tava-, vaid kõrgeima energiaga olekus," lisas füüsik.


Töörühm leidis, et loodud negatiivse temperatuuriga süsteem oli sama stabiilne kui selle positiivse temperatuuriga analoog. Ainuke probleem selle säilitamisega on seotud loomuliku soojusülekandega. Sarnaselt oleks antiaine tegelikult täielikult stabiilne, kui sellel puuduks võimalus ainega kohtuda.


Nii või teisiti tõestab eksperiment võimalikkust negatiivse temperatuuriga süsteeme ka katseliselt uurida. Ühe ennustuse kohaselt kukuksid negatiivse temperatuuriga aatomite pilved gravitatsiooni mõjul pigem üles kui alla. Praktilisemast küljest avab lähenemisviis tahkistefüüsikas uusi uksi ja pakub võimalust uurida kõrge energiaga süsteemide käitumist. "Lisaks võime me termodünaamika  kohta palju uusi asju õppida, näiteks leida viisi soojusmasinate ehitamiseks, mille kasutegur on ühest suurem," märkis Schneider.


Samuti loodab töörühm, et negatiivse temperatuuriga süsteeme saaks kasutada ka tumeenergia omadustele pilgu heitmiseks. Harilikult aatomid gaasis tõukuvad ja eritavad seega väljapoole positiivset rõhku. Ent antud juhul on olukord eksperimendis vastupidine. Gaasipilve kokkukukkumist takistab ainult negatiivne temperatuur. "Viimast poleks aga ilma kineetilisele energiale piirangut seadva optilise võreta, ainuüksi negatiivse rõhuga süsteem oleks ebastabiilne," märkis Schneider.


Analoogselt oleks pidanud universum mõni aeg pärast Suur Pauku gravitatsiooni tõttu kokku kukkuma, ent selle asemel jätkub selle paisumine tumeenergia tõttu kiirenevalt.


Töörühma uurimus ilmus ajakirjas Science.

Toimetas Jaan-Juhan Oidermaa
Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: