Kelionė kitapus absoliutinio nulio  (4)

Neįtikėtina, tačiau jei kambario temperatūra (pvz., +21°C) būtų Kaunas, o absoliutinis nulis (-273,15°C) būtų Vilnius, tai norint iš Kauno pasiekti Vilnių, į jį tektų keliauti... ne pro Rumšiškes, Žiežmarius, Elektrėnus ir Vievį, o per Klaipėdą, Malmę, Kopenhagą, Aberdyną, Reikjaviką, Vankuverį, Tokiją, Pekiną, Ulan Batorą, Čeliabinską ir galiausiai, ko gero, Maskvą.

Absoliutinis nulis arba -273,15°C yra žemiausia temperatūros riba visatoje, kurią pasiekusi bet kokia medžiaga visiškai sustingsta. Manoma, kad absoliutaus nulio būsena nepasiekiama – mokslinių eksperimentų metu pasiekiama tik labai artima absoliučiam nuliui temperatūra. Vis dėlto naujausi eksperimentai byloja, kad ypač šalti atomai (angl. – ultracold atoms) pasiekia… temperatūros reikšmes, esančias anapus absoliutaus nulio. Kelionė kitapus absoliutaus nulio vis dėlto bus visiškai kitokia, nei būtų galima tikėtis. Bandyti tokią temperatūrą pasiekti pašalinant iš medžiagos absoliučiai visą šilumą ir kiek įmanoma labiau sušaldyti medžiagą – ne išeitis. Sunku tuo patikėti, bet, užuot šaldžius medžiagą, ją reikia… kaitinti! Kaitinti tiek, kad ji taptų neįtikėtinai karšta. Temperatūros sąvoka labai artima netvarkos sąvokai: kuo žemesnė temperatūra, tuo daugiau tvarkos molekulių ir atomų lygmenyje. Absoliutaus nulio temperatūroje būtų pasiekta ideali tvarka. Savo ruožtu, didžiausia įmanoma netvarka (chaosas) būtų pasiektas kitame temperatūrinės skalės poliuje. Ledo kristaluose tvarkos yra nepalyginamai daugiau nei verdančiame vandenyje, o juk ledas šaltesnis už karštą vandenį. Jei vandens molekulėms suteiktume daugiau šiluminės energijos, jos imtų judėti dar netvarkingiau ir chaotiškiau. Tačiau labai ypatingomis sąlygomis įkaitinta sistema gali staiga pasiekti idealiai tvarkai artimą būseną, pasiekiamą esant arti absoliutaus nulio. Tereikia, kad būtų peržengta tam tikra riba, esanti toli toli, pliusinės šiluminių verčių begalybės link. Peržengus tokią ribą, įvyksta, galima sakyti, stebuklas – sistema staiga įgyja neigiamai absoliutinio nulio temperatūrai būdingas savybes. Jei ta sistema bus kaitinama ir toliau, joje kažkuriuo momentu įsigalės absoliuti tvarka, būdinga neigiamam absoliučiam nuliui. Kitaip tariant, taip bus pasiektas neigiamas absoliutus nulis. (Tenka pripažinti, kad toks to kito absoliutinio nulio pavadinimas įveda nemažai painiavos. Juk temperatūra – maksimaliai pliusinė, o pavadinta neigiamu absoliučiu nuliu!) Jei teigiamas absoliutus nulis irgi yra taškas, kuriame liaujasi bet koks judėjimas, tuomet neigiamas absoliutus nulis (-273,15°C) yra taškas, kuriame viskas juda maksimaliu įmanomu greičiu.

Štai šioje iliustracijoje esant teigiamam absoliučiam nuliui kairėje esantys mėlyni rutuliukai turi mažiausią įmanomą energijos kiekį, todėl jie tūno kameros dugne. O štai esant neigiamam absoliučiam nuliui, dešiniau esantys raudoni rutuliukai turi didžiausią įmanomą energijos kiekį, ir telkiasi kameros palubėje. Štai ir paradoksas: neigiamo absoliutinio nulio medžiaga būtų karštesnė už teigiamo absoliutinio nulio medžiagą. Negali būti?

Į sūkurį

Dėl painiavos, ko gero, reikėtų keiksnoti „neigiamo absoliutaus nulio“ sąvokos autorių, tačiau ją sugalvojęs asmuo yra Nobelio premijos laureatas, chemikas ir fizikas Larsas Onsageris. Sąvoką jis pristatė skysčių turbulencijos teorijoje. Nors turbulencijos problemą prieš keletą šimtmečių sprendė dar Leonardas da Vinčis, ji ir šiandien tebėra atvira. L. Onsageris numatė, kad turbulentiniuose dviejų dimensijų skysčio srautuose maži sūkuriai, užuot išsisklaidę, spontaniškai pradeda didėti ir suformuoja vis didesnius verpetus. Šis procesas vėliau lemia turbulencijos virtimą tvarkinga sistema – didžiuliais sūkuriais. Tie į turbulencijos chaosą tvarką įvesti gebantys didžiuliai sūkuriai turi tiek energijos, jog sistema pasiekia neįtikėtinai aukštą temperatūrą ir pasiekia neigiamo absoliutinio nulio lygmenį (raudoni rutuliukai). Kitaip tariant, didžiuliai turbulentiniai sūkuriai lemtų ir nepaprastai greitą skysčių judėjimą, ir didelę sistemos energiją bei aukštą temperatūrą. Manoma, kad toks fenomenas būdingas daugeliui gamtoje susiformuojančių sūkurių ar srovių – taip pat ir Golfo srovei Atlanto vandenyne bei Didžiajai raudonajai dėmei Jupiteryje.

Tačiau išvados, publikuotos žurnale “Physical Review Letters", numato, kad analogiški neigiamo absoliutinio nulio temperatūros Onsagerio sūkuriai gali susiformuoti ir superskysčiuose. Šie ypatingi tuo, kad teka be trinties.

Kaip ir tradiciniams sūkuriuojantiems skysčiams, superskysčiams irgi gali būti būdinga turbulencija. Tikimasi, kad „superskysčių turbulencijos“ tyrimų rezultatai nusileis Onsagerio prielaidoms apie absoliutinį neigiamą nulį ir chaoso virtimą tvarka. Tačiau naujausi eksperimentiniai neigiamo absoliutinio nulio (raudonų rutuliukų) temperatūrą pasiekusių ypač šaltų atomų stebėjimai byloja, kad pati termodinamiškai pastovių neigiamų temperatūrų esmė diskutuotina. Tai perša mintį, kad aistroms nuslūgus, kai kuriuos vadovėlių skirsnius gali tekti peržiūrėti ar perrašyti.

Šiaip ar taip, kad ir kokia temperatūra būtų pasiekiama konkrečiuose eksperimentuose, jų metu pasiekiamos naujos medžiagų būsenos yra nauji eksperimentinės fizikos žygdarbiai ir gali būti pritaikytos kuriant dar pažangesnes ateities technologijas iš spintronikos ar atomotronikos srities.

O mums tenka pripažinti, kad, ko gero, joks termometras Žemėje niekad nepasieks nei teigiamo, nei neigiamo absoliutinio nulio.

Aut. teisės: www.technologijos.lt

(80)
(6)
(74)

Komentarai (4)