Chladnější než nejchladnější - o atomech, které mají zakázanou teplotu

  Nic ve vesmíru nemůže být chladnější než 0 Kelvin, platilo dlouhá desetiletí. Vědcům se podařilo ochladit plyn na zápornou teplotu. Pomohl malý trik a stav, který se sám od sebe ve vesmíru nevyskytuje.

V běžném životě hraje teplota důležitou roli. Rozhodujeme se, jak se obléknout, když je venku zima, na který stupeň zapneme vařič, abychom si uvařili jídlo, jak teplou vodu napustit do vany.

Námi vnímaná teplota je závislá na vlastnosti nejdůležitější chemické sloučeniny – vody. Stupnice, která odpočítává běžnou teplotu, byla původně odvozena od teploty tání ledu, což byla nula stupňů Celsia. Chladnějšímu stavu říkáme záporná teplota.

Kromě běžně používané Celsiovy stupnice existuje ještě jiné, univerzálnější označení teploty. Za nulu se v ní považuje stav, při kterém se přestávají pohybovat atomy nebo molekuly ochlazené látky. Dostala název Kelvinova stupnice.

Pohyb molekul a atomů

Běžná hmota se skládá z atomů nebo molekul. Tyto malé autonomní jednotky nejsou vidět pouhým okem – a proto není pouhým okem vidět ani jejich pohyb. Přitom se jedná o velice zajímavý jev. Ne všechny atomy nebo molekuly, které se nacházejí ve stejném systému (předmětu), mají stejnou energii a tím i osobní rychlost.

Maxwellovo-Bolzmanovo rozdělení

V každém systému se nachází zároveň rychlé i pomalé molekuly (případně volné atomy). Pod dlouhým názvem Maxwellovo-Bolzmanovo rozdělení se skrývá fyzikální jev, kterým se řídí jejich rychlost.

V určitém systému se zároveň nachází malé množství pomalých molekul (na obrázku jsou v levé části obrázku), větší množství molekul s průměrnou rychlostí a také malé množství molekul s velice vysokou rychlostí (na obrázku jsou vidět v pravé části).

Čím vyšší teplotu má systém, tím více rychlejších molekul obsahuje. Křivka se posouvá směrem doprava k vyšším rychlostem (viz obrázek).

Při teoretické teplotě 0 Kelvinů je rychlost všech částí (molekul nebo volných atomů) nula a žádná křivka neexistuje.

Menší rychlost než nulová logicky nemůže existovat, je tedy nasnadě, že nemůže existovat ani menší teplota než nula Kelvin.

V roce 2013 se přesto takové teploty podařilo dosáhnout. Jak se to povedlo?

Velký malý trik a záporná absolutní teplota

Vědci z mnichovské univerzity a Max-Planckova-Institutu pro kvantovou optiku v Garchingu použili malý trik.

V laboratoři vytvořili atomární plyn. Použili zhruba sto tisíc atomů, které umístili do vakua. Tyto atomy ochladili na teplotu kolem miliardtiny Kelvinu. Díky vakuu byly atomy izolovány od okolního prostředí.

Atomy vědci zachytili v optických pastích, vytvořených laserovými paprsky. Ty přitom vytvořily tzv. optickou mřížku, do níž se atomy uložily. Atomy v této optické mřížce se mohly pohybovat jen díky tunelovému jevu. Díky němu se jejich pohyb omezoval ovšem jen na určité body. Mohly tunelovat jen od jedné pozice v mřížce do druhé. Přitom byla omezena i jejich rychlost.

Právě ono zmíněné omezení maximální rychlosti atomů v systému se pak stalo základem experimentu, který vědci provedli. V tomto speciálně vytvořeném systému se jim podařilo obrátit Maxwellovo-Bolzmanovo rozdělení rychlosti atomů. Největší energii a tím i rychlost měla naprostá většina z nich.

Vědci tak dosáhli takové vlastnosti, jakou by měl systém ochlazený na negativní teplotu, aniž by ho skutečně museli na negativní teplotu ochladit. Jejich systém  díky experimentu „přeskočil“ stav absolutní nulové teploty, aby přijal takové vlastnosti, které by měl teoretický systém s teplotou nižší než absolutní nula.

K čemu celé tohle úsilí?

Experiment má zajímavé důsledky.  

Negativní absolutní teplota vede ke zdánlivě absurdním stavům. Aparát, pracující s tímto jevem, by mohl například dosahovat vyšší účinnost než 100 %. Přitom by samozřejmě nepopíral známé fyzikální zákony. Mohl by ale čerpat energii jak z teplejšího, tak z chladnějšího stavu systému.

Super-chladný stav, kterého dosáhli vědci v laboratoři, také vykazuje jednu kosmologicky zajímavou vlastnost. Atomy se sice navzájem přitahují, jak je to u hmoty běžné, plyn ale přesto nekolabuje, tedy nezahušťuje se. Tato vlastnost připomíná chování tzv. temné hmoty, hmoty, ze které se skládá většina vesmíru a kterou se zatím nepodařilo prokázat našimi přístroji. Temná hmota se projevuje pouze svou gravitací, kterou v kosmických měřítkách ovlivňuje běžnou, nám známou hmotu.

Podaří se zkonstruovat podobný systém při vyšších pozitivních teplotách? To by mělo za následek dosažení ještě nižší absolutní teploty. Nechme se překvapit tím, co přinese budoucnost.