فیزیک ناممکن؛ چرا هیچ چیز در جهان نمی‌تواند به صفر مطلق برسد؟

راز بقا: حتی با استفاده از پیشرفته‌ترین روش‌های سردسازی، قوانین ترمودینامیک مانع از رسیدن کامل به نقطه صفر مطلق می‌شود.

به گزارش راز بقا، درحالی‌که بیشتر دنیا دما را بر حسب سلسیوس یا همان سانتی‌گراد اندازه می‌گیرند و ایالات متحده هنوز به فارنهایت پایبند است، دانشمندان معمولاً واحد کلوین را ترجیح می‌دهند. یک درجه کلوین تفاوت دمایی برابر با یک درجه سلسیوس دارد، اما نقطه شروع آن ۲۷۳٫۱۵ درجه پایین‌تر است. اگر این عدد عجیب به نظر می‌رسد، دلیلش این است که صفر کلوین برابر با صفر مطلق است، یعنی نقطه‌ای که هیچ حرارتی وجود ندارد.

بااین‌حال، هیچ چیز در جهان، نه سرمای فضای بیرونی و نه چیزی که انسان تولید کرده است، به صفر مطلق نمی‌رسد. طبق قوانین فیزیک، هیچ چیزی نمی‌تواند دقیقاً به صفر کلوین برسد. هرچند تاکنون توانسته‌ایم به دما‌هایی تا ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۴ کلوین دست یابیم، چرا رسیدن به صفر مطلق غیرممکن است؟

دما واقعاً چه چیزی را اندازه می‌گیرد؟

دما نشان‌دهنده انرژی حرکت اتم‌ها و مولکول‌هاست. انرژی باعث می‌شود اتم‌ها و مولکول‌ها در جامد‌ها به ارتعاش درآیند یا در مایعات و گاز‌ها به شکل نامنظم حرکت کنند. هر چه متوسط انرژی یک ماده بیشتر باشد، حرکت مولکول‌ها سریع‌تر و دمای ماده بالاتر است.

هنگامی که دما به سمت صفر کلوین کاهش می‌یابد، این حرکت به حداقل می‌رسد. شاید تصور کنیم با استخراج کمی حرارت، حرکت مولکول‌ها کاملاً متوقف شود و به صفر مطلق برسیم. اما قانون سوم ترمودینامیک مانع این امر می‌شود.

قانون سوم همچون دو قانون اول ترمودینامیک، می‌تواند به شکل‌های مختلف بیان شود. ساده‌ترین شکل آن توسط والتر نرنست ارائه شد: «هیچ روشی نمی‌تواند در تعداد محدودی از مراحل به دمای صفر مطلق برسد.» به عبارت دیگر، برای رسیدن به صفر مطلق، باید انرژی از یک سیستم بی‌نهایت بار خارج شود، کاری که غیرممکن است.

ارنست این نتیجه را از آزمایش‌هایی گرفت که در آنها مواد را به تدریج سرد می‌کرد، اما همیشه مقداری حرارت باقی می‌ماند که مانع رسیدن به صفر مطلق می‌شد. مکانیک آماری بعد‌ها نشان داد این نتیجه قابل استخراج از سایر قوانین ترمودینامیک است.

اخیراً نیز ثابت شده که رسیدن به صفر مطلق در زمان محدودی ممکن نیست و این یعنی برای رسیدن به صفر مطلق، جهان باید بی‌نهایت قدیمی باشد.

چگونه می‌توان به دما‌های نزدیک صفر مطلق رسید؟

اگر بخواهیم دمای یخچال یا فریزر خود را به صفر درجه سلسیوس برسانیم، حرارت را با استفاده از چرخه تبرید به محیط بیرون منتقل می‌کنیم: گاز فشرده می‌شود و داغ می‌شود، سپس حرارت آن به محیط منتقل و گاز منبسط می‌شود تا سرد شود. این فرآیند را بار‌ها تکرار می‌کنیم تا دما کاهش یابد.

با همین روش می‌توان هلیوم را تا منفی ۲۶۹ درجه سلسیوس، یعنی تنها ۴ درجه بالاتر از صفر مطلق، سرد کرد. یک ماده که در هلیوم مایع غوطه‌ور شود، تا رسیدن به همان دما، حرارت خود را از دست می‌دهد.

با استفاده از ایزوتوپ کمیاب هلیوم-۳ می‌توانیم درجه پایین‌تر برویم. برای دما‌های پایین‌تر، روش‌های پیشرفته‌تری مانند دِمگنتیزاسیون هسته‌ای و سردسازی با لیزر استفاده می‌شوند. در روش لیزر، اتم‌ها با پرتوی لیزر در سه بعد مهار می‌شوند تا حرکتشان کند شود و انرژی از دست بدهند. این روش، که جایزه نوبل فیزیک ۱۹۹۷ را به دست آورد، می‌تواند مواد میکروسکوپی را به دما‌هایی کمتر از یک میلیاردیم درجه بالاتر از صفر مطلق برساند.

با وجود این، هیچ‌یک از این روش‌ها قانون سوم ترمودینامیک را دور نمی‌زنند؛ همواره مقداری حرارت باقی می‌ماند. روش‌های پیشرفته‌تر، مانند لنز موج ماده، می‌توانند اتم‌های روبیدیم را تا دما‌هایی ده برابر پایین‌تر سرد کنند، اما همچنان به صفر مطلق نمی‌رسیم.

دما‌های منفی، نه سردتر از صفر مطلق

گاهی فیزیکدانان از «دمای منفی» سخن می‌گویند که به‌نظر می‌رسد سردتر از صفر مطلق باشد. اما این یک اشتباه نام‌گذاری است. در این سیستم‌ها، اضافه‌کردن انرژی باعث کاهش بی‌نظمی (آنتروپی) می‌شود، برخلاف حالت معمول. چنین شرایطی تنها در سیستم‌های محدود و خاص رخ می‌دهد و این سیستم‌ها واقعاً سرد نیستند؛ بلکه آن‌قدر داغ‌اند که وقتی در معرض محیط عادی قرار می‌گیرند، گرما از آنها به محیط جریان می‌یابد.