DEMET İLCE / MUHABİR
Mutlak sıfır, bilim insanlarının eksi 459,67 Fahrenheit (eksi 273,15 santigrat derece) olarak tanımladığı en düşük teorik sıcaklıktır. Bu, uzaydan bile daha soğuk. Şu ana kadar bildiğimiz hiçbir şey mutlak sıfıra ulaşmadı. Peki bu tüyler ürpertici dönüm noktasına ulaşmak mümkün mü?
Bu soruyu cevaplamak için sıcaklığın gerçekte ne olduğunu açalım. Sıcaklığı bir şeyin ne kadar sıcak veya soğuk olduğu olarak düşünme eğilimindeyiz, ancak aslında bu bir sistemdeki tüm parçacıkların enerjisinin veya titreşimlerinin bir ölçüsüdür. Sıcak nesnelerin enerjisi daha fazla olduğundan parçacıkları daha hızlı titreşebilir. Parçacıkların hiç enerjiye sahip olmadığı ve dolayısıyla hareket etmeyi bıraktığı nokta mutlak sıfır olarak tanımlanır.
Bilim insanları bu düşük sıcaklıklara ulaşmakla ilgileniyor çünkü parçacıklar yavaşladığında pek çok ilginç kuantum etkisi ortaya çıkıyor. Delhi Hindistan Teknoloji Enstitüsü'nde teorik yoğun madde fizikçisi olan Sankalpa Ghosh, kuantum mekaniğinin temel ilkesinin dalga-parçacık ikiliği olduğunu söyledi; ışık fotonu gibi bir parçacığın ya parçacık ya da dalga gibi davranabileceği olgusu.
Kuantum mekaniksel parçacıklarla uğraşırken, onların "ayırt edilemezliğini" hatırlamak önemlidir - Ghosh, "parçacıkları veya dalgaları daha büyük nesnelerde olduğu gibi ayrı ayrı izlemek mümkün değildir. Bunun kökeni, kuantum mekaniksel ölçümün olasılıksal doğasını nicelikselleştiren ünlü Heisenberg Belirsizlik İlkesine kadar uzanabilir (yani bir parçacığın konumu kesin olarak ölçüldüğünde, momentumu daha az kesin olarak bilinir ve bunun tersi de geçerlidir). Bu olasılıksal doğa kuantum mekaniksel parçacığa dalga benzeri bir karakter verir." dedi.
Bu kuantum dalga benzeri davranışın kapsamı, termal de Broglie dalga boyu olarak bilinen sistemdeki parçacıklar arası mesafelerin oranıyla ifade edilir. Normal sıcaklıklarda bu kuantum davranışı ihmal edilebilir düzeydedir ancak parçacıklar soğudukça tuhaf etkiler ortaya çıkmaya başlar.
Ghosh, "[Bu oran] sıcaklık düştükçe büyür ve mutlak sıfırda aslında sonsuzdur. Süper akışkanlık (sürtünmeden akış), süperiletkenlik (akımın herhangi bir direnç olmadan akması) ve aşırı soğuk atomik yoğunlaşma gibi kuantum olaylarının tümü bundan dolayı meydana gelir." dedi.
1990'lardaki erken ultrasoğuk deneylerde, bu etkileri araştırmaya başlamak için lazer soğutma olarak bilinen bir teknik kullanıldı. Oxford Üniversitesi'nden aşırı soğuk fizikçisi Christopher Foot, "Işık atomlara bir kuvvet uygulayarak onları yaklaşık 1 kelvin (eksi 272,15 C veya eksi 457,87 F) gibi oldukça düşük sıcaklıklara kadar yavaşlatır. Bu, katılarda ve sıvılarda kuantum davranışını görmek için yeterince düşük, ancak incelediğimiz gazlarda, bu kuantum etkilerini elde etmek için 10'larca nano-kelvin sıcaklığına ihtiyacımız var.” dedi.
Laboratuvarda şimdiye kadar kaydedilen en düşük sıcaklık, Almanya'daki bir grup tarafından 2021'de elde edildi. Ekip, mıknatıslanmış gaz atomlarını 120 metrelik (400 fit) bir kuleden aşağı düşürdü, parçacıkları neredeyse 100 metreye kadar yavaşlatmak için manyetik alanı sürekli açıp kapatıyor. Manyetik tuzak soğutması olarak bilinen bu tür bir deneyde, gaz halindeki parçacıklar, mutlak sıfırın üzerinde inanılmaz bir 38 pikokelvin'e (bir derecenin 38 trilyonda biri) ulaştı ve gazlardaki kuantum etkilerini gözlemlemeye başlama aralığının oldukça içindeydi.
Peki malzemeleri daha da soğutmaya çalışmanın bir anlamı var mı? Foot'a göre muhtemelen hayır. "Mutlak sıfıra ulaşmaktan çok bu kuantum etkileriyle ilgileniyoruz. Lazerle soğutulan atomlar, evrensel zamanı tanımlayan atom standartlarında (atomik saatler) ve kuantum bilgisayarlarda zaten kullanılıyor. Düşük sıcaklıktaki çalışmalar hala araştırma aşamasında ve insanlar bu yöntemleri evrensel fiziksel teorileri test etmek için kullanıyor." dedi.
Şu anda, bir derecenin son 38 trilyonda birini soğutmak mümkün değil ve bunun gerçeğe dönüşmesi için birçok engelin aşılması gerekecek. Aslında mutlak sıfıra ulaşsak bile, ölçüm tekniklerinin hassas olmaması nedeniyle bunu tamamen gözden kaçırabiliriz.
Foot, "Mevcut araçlarla bunun sıfır mı yoksa çok çok küçük bir sayı mı olduğunu söyleyemezsiniz. Mutlak sıfırı ölçmek için aslında sonsuz doğrulukta bir termometreye ihtiyacınız olacak ve bu, mevcut ölçüm sistemlerimizin ötesinde." dedi.