Az abszolút nulla fok alá mentek
A hőmérőkre vésett Celsius-skálán a mínusz értékek télen elfogadottak, nyáron azonban meglepődnénk, ha negatív értékeket látnánk. Na, legalább ennyire megdöbbenhetnek a fizikában kevésbé jártasak, amikor azt hallják, hogy fizikusok az abszolút nulla fok, azaz a mínusz 273,15 Celsius-fok, vagy másként nulla Kelvin alá mentek, ha csak néhány pillanatra is. Az iskolában ugyanis azt tanították, hogy a nulla Kelvin-foknál nincs alacsonyabb hőmérséklet. Ezt azonban egy bravúros kísérlettel megcáfolták a garchingi Max Planck Kvantumfizikai Intézet és a müncheni Ludwig Maximilian Egyetem fizikusai.
Lord Kelvin a tizenkilencedik században határozta meg az abszolút hőmérsékleti skálát, amelynek lényege, hogy semmi sem lehet hidegebb, mint az abszolút nulla fok, azaz a mínusz 273,15 Celsius-fok. Egy anyag hőmérsékletét részecskéinek mozgása határozza meg. Minél gyorsabban mozognak például egy gáz részecskéi, annál melegebb az a gáz, minél lassúbb a mozgás, annál hidegebb az anyag. Nulla Kelvinen (mínusz 273,15 Celsius-fokon) a részecskék mozgása megáll. Azonban az 1950-es években a fizikusok különleges rendszerek tanulmányozása során arra jöttek rá, hogy ez nem mindig igaz: elvileg olyan helyzetek is előállíthatók, amikor a részecskék hőmérséklete alacsonyabb az abszolút nulla foknál.
Normális körülmények között a legtöbb részecske átlagos vagy átlag közeli energián mozog, és csupán kevés részecske kerül magasabb energiaszintekre. Elméletileg elképzelhető olyan fordított helyzet, amikor több részecske van magasabb energiájú állapotokban, mint alacsonyabb energiájúakban. Ehhez az is kell, hogy legyen a rendszerben egy maximális energiájú állapot is. Ilyenkor az anyag hőmérséklete akár a negatív abszolút hőmérséklet alá eshet – magyarázta a Nature hasábjain Ulrich Schneider, a müncheni Ludwig Maximilian fizikusa. (A mérésről a részletes publikáció a Science-ben olvasható.) Csordás András, az ELTE komplex rendszerek fizikája tanszék docense szerint különleges rendszerekben besűrűsödhetnek az energiaszintek a maximális energiájú állapot alatt, és előállhatnak negatív hőmérsékletek. Ezt elméleti megfontolások révén eddig is tudták, de kísérletben nehéz a negatív hőmérsékletet kimutatni. Megszokott módszereink, hőmérőink ugyanis pozitív hőmérsékletekre lettek „kitalálva”. A német kutatók bejelentése ezért szenzációs. Fontos azonban, hogy az abszolút nulla fok alatti hőmérsékletet nem közvetlenül mérték meg, hanem a rendszer több mérhető fizikai jellemzőjéből következtettek arra.
Schneider és munkatársai mintegy százezer káliumatomból álló gázzal kísérleteztek. A gázt vákuumba tették, így érték el a tökéletes hőszigetelést. A lézerek és a mágneses mezők segítségével tartották meg az egyes atomok rácsos elrendezését. A mágneses mezők gyors változtatásával pedig elérték, hogy az atomok a legalacsonyabb energiaszintjükről a lehető legmagasabb energiaszintjükre lépjenek, miközben a lézernyalábok a helyükön tartották őket. Ennek köszönhetően a gáz néhány ezermilliomod Kelvin-fokkal az abszolút nulla alá süllyedt. Schneider szerint ez ahhoz hasonlítható, mintha a völgyben sétálva valaki egy pillanat alatt a hegytetőre érne. Ilyen gyors változásra normál esetben a stabil atomgáz összeomlana, de a lézerek segítségével megakadályozták az összeomlást.
A jelenség további magyarázata még várat magára, de már most izgalmas következtetésekre jutottak a fizikusok. Ha negatív hőmérsékletű anyagot a gravitáció hatásának tennénk ki, ahelyett hogy lefelé mozognának az atomok, abszolút nulla fok alatt néhány atom megemelkedne, ellentmondva a gravitáció megszokott törvényének. A speciális tulajdonságokkal bíró gázatomok segítségével az univerzum gyorsuló tágulását is megmagyarázó sötét energia tulajdonságai is megérthetők lennének. A kísérletben a rácsszerkezet összeomlását megakadályozta a negatív hőmérséklet – elképzelhető, hogy valami hasonló ok miatt tágul folyamatosan a világegyetem, miközben a gravitációs erők miatt éppen ellenkezőleg, össze kellene húzódnia.
A stabil negatív abszolút hőmérsékletű anyagból elvileg létrehozhatók lennének százszázalékosnál jobb hatásfokú hőerőgépek. A tudóscsoport szerint kísérletük nem mond ellent a termodinamika harmadik főtételének sem – az abszolút nulla fok tetszőlegesen megközelíthető, de nem érhető el –, ők ugyanis nem elérték, hanem átlépték az abszolút nulla fokot.
