Mutlak Sıfıra Ulaşmak: Evrenin En Soğuk Sınırında Neler Olur?

Kısaca: Mutlak sıfır, mümkün olan en düşük sıcaklıktır: 0 kelvin, yani −273,15 °C. Bu sıcaklıkta bir sistem en düşük enerji durumuna iner; ancak kuantum fiziği nedeniyle atomların hareketi tamamen durmaz. Termodinamiğin üçüncü yasasına göre mutlak sıfıra hiçbir zaman tam olarak ulaşılamaz, ama ona inanılmaz derecede yaklaşılabilir: Laboratuvar rekoru, mutlak sıfırın yalnızca bir derecenin trilyonda 38’i kadar üzerindeki bir sıcaklıktır.

Bir sıcaklığın üst sınırı yok gibi görünür: Güneş’in çekirdeği 15 milyon derece, süpernovalar milyarlarca derece sıcaklığa çıkar. Ama soğuğun bir dibi vardır ve oraya ne kadar yaklaşırsanız doğa o kadar tuhaflaşır. Metaller elektriği sıfır dirençle iletmeye başlar, sıvılar kaplarının duvarlarına tırmanır, binlerce atom tek bir dev atom gibi davranır.

Mutlak sıfır nedir?

Sıcaklık, bir maddeyi oluşturan atom ve moleküllerin ne kadar hızlı titreştiğinin, döndüğünün ve hareket ettiğinin bir ölçüsüdür. Bir maddeyi soğuttukça bu hareket yavaşlar. Mutlak sıfır, bu hareketin alabileceği en düşük düzeydir; daha soğuk bir şey olamaz, çünkü taneciklerden çekilebilecek başka enerji kalmaz.

Bu sınırın varlığı, ilk olarak gazlarla yapılan deneylerden anlaşıldı. Sabit basınçtaki bir gaz soğutuldukça hacmi düzenli olarak küçülür; bu küçülme geriye doğru uzatıldığında hacmin yaklaşık −273 °C’de sıfıra ineceği görülür. Glasgow Üniversitesi’nden fizikçi William Thomson, yani Lord Kelvin, 1848’de bu noktadan başlayan mutlak bir sıcaklık ölçeği önerdi. Bugün kullandığımız kelvin birimi onun adını taşır ve 0 K mutlak sıfırdır.

Mutlak sıfırda her şey durur mu?

Klasik fiziğe göre evet; ama doğa klasik fiziğe uymaz. Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda kesin olarak belirlenemez. Tamamen duran bir atomun ise hem konumu hem hızı kesin olarak bilinirdi. Bu yüzden en düşük enerji durumunda bile atomlar bir miktar “titreşmeye” devam eder. Bu kalan enerjiye sıfır noktası enerjisi denir.

Sıfır noktası enerjisinin gündelik görünen bir sonucu var: Helyum, normal atmosfer basıncında mutlak sıfıra kadar soğutulsa bile donmaz, sıvı kalır. Atomlarının sıfır noktası titreşimi, onları katı bir kristalde tutmaya yetmeyecek kadar güçlüdür. Helyumu katılaştırmak için onu yaklaşık 25 atmosfer basınç altında sıkıştırmak gerekir. Kuantum fiziğinin bu tuhaf kurallarını Kuantum Fiziği Nedir? yazımızda anlattık.

Neden asla ulaşılamaz? Termodinamiğin üçüncü yasası

Alman kimyacı Walther Nernst’in 20. yüzyılın başında ortaya koyduğu termodinamiğin üçüncü yasası, mutlak sıfıra sonlu sayıda adımla ulaşılamayacağını söyler. Her soğutma adımı, kalan sıcaklığın yalnızca bir kısmını alabilir. Bir pastanın her seferinde yarısını yediğinizi düşünün: Ne kadar devam ederseniz edin, tabakta her zaman bir parça kalır.

Üçüncü yasa aynı zamanda kusursuz bir kristalin entropisinin, yani düzensizliğinin, mutlak sıfıra yaklaştıkça sıfıra yaklaştığını da söyler. Termodinamiğin dört yasasının tümünü Termodinamik Kanunları yazımızda bulabilirsiniz.

Mutlak sıfıra nasıl yaklaşılır? Soğuğun merdiveni

Fizikçiler mutlak sıfıra tek bir yöntemle değil, birbirini izleyen basamaklarla yaklaşır. Her basamak, bir öncekinin bittiği yerden başlar:

Lazer soğutma kulağa çelişkili gelebilir: Işık bir şeyi nasıl soğutur? Hile, lazerin renginin, yalnızca kendisine doğru hareket eden atomların soğurabileceği biçimde ayarlanmasıdır. Her soğurulan foton atoma karşıdan küçük bir itme verir ve atom yavaşlar. Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ve William Phillips, bu yöntemleri geliştirdikleri için 1997 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.

2021’deki rekor ise Almanya’da, Bremen Üniversitesi’ndeki düşme kulesinde kırıldı. Araştırmacılar yaklaşık 100.000 rubidyum atomundan oluşan bir kuantum gazını serbest düşmeye bıraktı ve manyetik bir “mercekle” bulutun genleşmesini neredeyse durdurdu. Atomların hareketine karşılık gelen etkin sıcaklık yalnızca 38 pikokelvindi; bu, kelvinin trilyonda 38’i demek.

Soğukta açılan kuantum dünyası

Süperiletkenlik

1911’de Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, cıvayı sıvı helyumla yaklaşık 4,2 kelvine kadar soğuttuğunda elektrik direncinin aniden sıfıra düştüğünü gördü. Süperiletkenlerde bir kez başlatılan elektrik akımı, enerji kaybetmeden yıllarca dolaşabilir. Bugün hastanelerdeki MR cihazlarının güçlü mıknatısları ve parçacık hızlandırıcıların mıknatısları süperiletken tellerle yapılır. Kamerlingh Onnes 1913 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.

Süperakışkanlık

Sıvı helyum-4, yaklaşık 2,17 kelvinin altına soğutulduğunda süperakışkan hâle gelir: Hiç sürtünme olmadan akar, en ince gözeneklerden sızar ve ince bir film hâlinde kabının duvarlarına tırmanıp kenarından taşar. Bu olgu 1938’de Pyotr Kapitsa ile John Allen ve Don Misener tarafından birbirinden bağımsız olarak keşfedildi; Kapitsa 1978 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.

Bose–Einstein yoğuşması

Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein, 1920’lerde çok soğuk atomların hepsinin aynı en düşük kuantum durumunda toplanabileceğini öngörmüştü. Bu durumda binlerce atom, tek bir dev “süper atom” gibi davranır. Öngörünün gerçekleşmesi 70 yıl sürdü: 1995’te Eric Cornell ve Carl Wieman’ın ekibi rubidyum atomlarıyla ilk Bose–Einstein yoğuşmasını elde etti. Cornell, Wieman ve aynı yıl sodyum atomlarıyla başaran Wolfgang Ketterle, 2001 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştı.

Evrendeki en soğuk yerler

Uzay boşluğu sanıldığı kadar soğuk değildir: Büyük Patlama’dan kalan kozmik mikrodalga arka plan ışıması, evreni her yerde yaklaşık 2,725 kelvine kadar “ısıtır”. Bilinen en soğuk doğal yer ise Erboğa takımyıldızı yönünde, yaklaşık 5.000 ışık yılı uzaktaki Bumerang Bulutsusudur. Ölmekte olan bir yıldızın çok hızlı genişleyen gazı, buzdolabındaki genleşen gaz gibi soğuyarak yaklaşık 1 kelvine iner; yani arka plan ışımasından bile soğuktur.

Ama evrendeki en soğuk yerlerin bildiğimiz kadarıyla Dünya’da, fizik laboratuvarlarında olması belki de en şaşırtıcı gerçek. İnsanlar, doğanın kendi başına ulaştığı hiçbir yerden daha soğuk ortamlar yaratmayı başardı.

Sık sorulan sorular

Mutlak sıfır kaç derecedir?

Mutlak sıfır 0 kelvin, yani −273,15 santigrat derecedir (−459,67 Fahrenhayt). Doğada bundan daha soğuk bir sıcaklık yoktur.

Mutlak sıfıra ulaşılabilir mi?

Hayır. Termodinamiğin üçüncü yasasına göre mutlak sıfıra sonlu sayıda adımla ulaşılamaz; ancak ona istenildiği kadar yaklaşılabilir. Bugünkü laboratuvar rekoru, 2021’de Almanya’da ulaşılan yaklaşık 38 pikokelvinlik etkin sıcaklıktır.

Mutlak sıfırda atomlar tamamen durur mu?

Hayır. Kuantum fiziğine göre bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda kesin olarak belirlenemediği için, en düşük enerji durumunda bile bir miktar hareket kalır. Buna sıfır noktası enerjisi denir. Helyumun normal basınçta mutlak sıfıra kadar donmamasının sebebi de budur.

Evrendeki en soğuk yer neresi?

Bilinen en soğuk doğal yer, Erboğa takımyıldızı yönünde yaklaşık 5.000 ışık yılı uzaklıktaki Bumerang Bulutsusu’dur; sıcaklığı yaklaşık 1 kelvindir. Ama evrendeki en soğuk yerler aslında Dünya’daki laboratuvarlardır: Fizikçiler mutlak sıfırın milyarda biri derecenin de altına inebiliyor.

Mutlak sıfırın altında sıcaklık olur mu?

Sıradan anlamda hayır. Ancak bazı özel sistemlerde fizikçiler “negatif mutlak sıcaklık” denen durumlar oluşturabiliyor. Bu sistemler mutlak sıfırdan daha soğuk değil, tersine sonsuz sıcaklıktan bile “daha sıcak” sayılır: Temas ettikleri her sisteme ısı verirler.

Kaynaklar

• The Nobel Prize in Physics 1997, 2001, 1913 ve 1978, NobelPrize.org.
• Anderson, M. H., Ensher, J. R., Matthews, M. R., Wieman, C. E. ve Cornell, E. A. (1995). Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor. Science, 269, 198–201.
• Cornell, E. A. ve Wieman, C. E. (2002). Nobel Lecture: Bose-Einstein condensation in a dilute gas, the first 70 years and some recent experiments. Reviews of Modern Physics, 74, 875–893.
• Kapitza, P. (1938). Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point. Nature, 141, 74.
• Allen, J. F. ve Misener, A. D. (1938). Flow of Liquid Helium II. Nature, 141, 75.
• Leggett, A. J. (1999). Superfluidity. Reviews of Modern Physics, 71, S318–S323.
• Deppner, C. ve ark. (2021). Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics. Physical Review Letters, 127, 100401.
• Fixsen, D. J. (2009). The Temperature of the Cosmic Microwave Background. The Astrophysical Journal, 707, 916–920.
• Sahai, R. ve ark. (2013). ALMA Observations of the Coldest Place in the Universe: The Boomerang Nebula. The Astrophysical Journal, 777, 92.
• Braun, S. ve ark. (2013). Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom. Science, 339, 52–55.

Bunlar da ilginizi çekebilir

• Termodinamiğin Birinci Yasası
• Kuantum Fiziği Nedir?
• Belirsizlik İlkesi Nedir?
• Casimir Etkisi: Hiçlik Kuvveti
• Leidenfrost Etkisi: Ateşe El Sokan Adam