Az abszolút nulla az a hőmérséklet, amelyen az anyag részecskéi (molekulák és atomok) a legalacsonyabb energiállapotuk közelében vannak. Gyakori félreértés, hogy az abszolút nullán a részecskék „minden energiájukat elveszítik” és teljesen megállnak; valójában a kvantummechanika miatt még a legalsó energiállapotban is marad fenn energiának egy maradéka, a nullponti energia. Ennek magyarázatát részletesebben a következő szakaszban találja.
Nullponti energia és kvantummechanika
A Heisenberg-féle bizonytalansági elvnek megfelelően egy részecske helyzetére és impulzusára vonatkozó ismereteink nem lehetnek egyszerre végtelenül pontosak: minél pontosabban ismerjük az egyik mennyiséget, annál bizonytalanabb lesz a másik. Ennek következményeként a kötött kvantumrendszereknek – például egy atom rezgéseinek vagy egy részecske kvantumos pályájának – van egy legkisebb lehetséges energiájuk, a nulla ponti (vagy ground state) energia. Ez azt jelenti, hogy még az abszolút nulla közelében sem szűnik meg teljesen a mozgás: a részecskék kvantumos fluktuációi megmaradnak.
Hogyan közelítik meg az abszolút nullát a kísérletekben?
Különböző módszereket használnak nagyon alacsony hőmérsékletek eléréséhez. A lézeres hűtés során fotonokkal csökkentik az atomok mozgási energiáját; az evaporatív hűtés (elpárologtató hűtés) során a leggyorsabb részecskék eltávolításával csökken a maradék minta hőmérséklete; az adiabatikus demagnetizáció és a dilúciós hűtő (dilution refrigerator) pedig más fizikai elveket használ a további lehűtéshez. További technikák közé tartozik a szimpatikus hűtés és a mágneses csapdázásból történő hűtés.
Néhány kísérlet rendkívül alacsony hőmérsékleteket ért el: egyes mérésekben a hőmérséklet a körülbelül 100 pK (száz pikokelvin, ami 10⁻¹⁰ kelvinnek felel meg) nagyságrendjéhez közelített. Az abszolút nulla elérése technikailag rendkívül nehéz, mert minden hőforrás — akár a környező környezet, akár a mérőeszközök, akár a hőt adó érintkezések — visszahőt juttat a rendszerbe, és végső soron a közelítés egyre nehezebb és költségesebb.
Hőmérsékleti skálák és abszolút nulla
A kelvini és rankine-i hőmérsékleti skála úgy van meghatározva, hogy az abszolút nulla 0 kelvin (K) vagy 0 rankine-i fok (°R). A hagyományos, relatív skálákhoz való kapcsolódás: az abszolút nulla a Celsius- skálán -273,15 °C, a Fahrenheit skálán pedig -459,67 °F.
Kapcsolat a termodinamikával
A termodinamikaharmadiktörvénye szerint semmi sem lehet abszolút nulla hőmérsékletű. Pontosabban fogalmazva: nem lehetséges elérni az abszolút nullát véges számú lépésben egy fizikai folyamat során; továbbá egy tökéletes, rendezett kristály entrópiája a 0 K-hez közelítve egy állandó felé tart, amely ideálisan zéró (ez az entrópia-határérték a harmadik törvény klasszikus megfogalmazása).
A termodinamika második törvénye kimondja, hogy minden hőerőgépnél van elkerülhetetlen veszteség, azaz hulladékhő keletkezik, és nem lehet 100%-os hatásfokú. Ennek az az oka, hogy a ciklikus, reverzibilis gépek elméleti felső határa a Carnot-hatásfokból adódik: η_max = 1 − T_külső / T_belső (ahol a hőmérsékletek Kelvinben értendők). Csak akkor lehetne elméletben 100%-os hatásfokot elérni, ha a külső hőmérséklet nulla lenne, ami a harmadik törvény értelmében nem lehetséges; ezért valós rendszerek sosem érik el a 100%-ot.
Vezetőképesség, szupervezetés és anyagi viselkedés
Ahogy a hőmérséklet egy anyagnál csökken, a hőtani mozgások csökkenése gyakran kisebb ütközéshez és így nagyobb elektromos vezetőképességhez vezet. Ez azonban nem jelenti azt, hogy minden anyag „tökéletes vezetővé” válik abszolút nulla felé közeledve. Egyes anyagokban — szupervezetőkben — egy kritikus hőmérséklet alatt a villamos ellenállás hirtelen eltűnik, és más kvantumhatások (pl. Meissner-effektus) lépnek fel. A szupervezetés tehát külön fizikai jelenség, amely nem kizárólag az abszolút nullahoz való közeledés következménye.
Alkalmazások és miért érdekes az abszolút nulla közelében dolgozni
- Alacsony hőmérsékleteken készülnek Bose–Einstein-kondenzátumok (BEC), amelyekben kvantumhatások makroszkopikus skálán válnak láthatóvá.
- Kvantumszámítógépek és szupravezető kvantumbitek (qubitek) működése gyakran igényel nagyon alacsony hőmérsékletet a koherencia meghosszabbításához.
- Nagypontosságú mérőműszerek (pl. atomórák, interferométerek) számára az alacsony hőmérséklet csökkenti a hőből eredő zajt.
- Mágneses térkeltéshez és részecskegyorsítók detektoraihoz is használnak szupervezető mágneseket, melyek alacsony hőmérsékleten működnek legjobban.
Gyakorlati korlátok és összefoglalás
Bár az abszolút nulla fogalma alapvető a termodinamika és a kvantumelmélet számára, a fizikai valóságban nem érhető el véges folyamatokkal. A nullponti energia és a kvantumfluktuációk miatt a rendszerek nem „mozdulatlanok” abszolút értelemben; a harmadik törvény és a mérési-technikai korlátok pedig megakadályozzák, hogy végtelenül közel kerüljünk a 0 K-hez. Ennek ellenére a nagyon alacsony hőmérsékletek elérése számos fontos tudományos és technológiai alkalmazást tett lehetővé.
