Bilim pek çok sıfır içerir. Işık sıfır kütleye sahiptir, nötronların yükü sıfırdır, matematiksel bir noktanın uzunluğu sıfırdır. Bu sıfırların hepsi belirli bir şeyin yokluğunu temsil eder; kütle, elektrik yükü, mesafe. Bir de mutlak sıfır durumu vardır. Mutlak sıfır, mutlak veya termodinamik sıcaklık ölçeğine göre bir sistemden daha fazla ısının alınamayacağı bir noktadır. Bu sıfır Kelvin veya eksi 273.15 C’ye eşittir. Rankine ölçeğinde bu değer sıfır ve – 459.67 F’dir.
Klasik kinetik teori, mutlak sıfırın her bir molekülün hareketinin yok olduğu durumu ifade eder. Deneysel kanıtlar durumun böyle olmadığını gösterir. Deneysel kanıtlara göre mutlak sıfırdaki parçacıklar minimum titreşim hareketine sahiptir. Yani, sistem mutlak sıfırda iken sistem ısı alınamaması mutlak sıfırın mümkün olan en düşük entalpi değerini aldığını göstermez.
Kuantum mekaniğinde mutlak sıfır, zemindeki katı maddenin en düşük iç enerjisine sahip olduğunu ifade eder.
Mutlak Sıfır ve Sıcaklık
Sıcaklık, bir maddenin ne kadar sıcak veya soğuk olduğunu tanımlamak amacı ile kullanılır. Bir maddenin sıcaklığı, atomlarının ve moleküllerinin yayıldığı hıza bağlıdır. Mutlak sıfır en yavaş hızlarda salınım yapıldığını gösterse de maddenin içindeki hareketlilik asla tamamen durmaz.
Mutlak Sıfıra Ulaşmak Mümkün mü?
Bilim insanları bu değere yaklaşmıştılar ancak mutlak sıfıra tam olarak ulaşmak mümkün değil. 1994 yılında Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) 700 nK (kelvinin milyarda biri) rekor soğuk sıcaklığına ulaştı. 2003 yılında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları 0.45 nK’lık değer ile yeni bir rekor kırdı.
Negatif Sıcaklıklar
Fizikçiler, negatif Kelvin (veya Rankine) sıcaklığına sahip olmanın mümkün olduğunu gösterdiler. Ancak bu durum, bu partiküllerin mutlak sıfırdan daha soğuk olduğu anlamına gelmez, enerjinin azaldığı anlamına gelir. Bunun nedeni, sıcaklık enerji ve entropi ile ilgili termodinamik bir miktar gösterir. Bir sistem maksimum enerji değerine ulaştıktan enerjisi azalmaya başlar. Bu sadece, spinin elektromanyetik alanla dengede olmadığı yarı denge durumlarında olduğu özel koşullar altında gerçekleşir. Enerji eklenmiş olsa bile bu tür bir aktivite negatif bir sıcaklığa neden olabilir.
İlginç bir şekilde negatif sıcaklıktaki bir sistem, pozitif sıcaklıktaki bir sistemden daha sıcak kabul edilebilir. Böyle olmasının sebebi ise ısı aktığı yöne göre tanımlanır. Normal durumlarda pozitif sıcaklığa sahip olan dünyada ısı, sıcak bir ocaktan oda gibi daha serin bir yere akar. Isı negatif bir sistemden pozitif bir sisteme doğru akar.
3 Ocak 2013’te bilim insanları, hareket serbestlik derecesi açısından negatif bir sıcaklık değerine sahip olan potasyum atomlarını içeren bir kuantum gazı oluşturdular. 2011 yılında ise Wolfgang Ketterle, Patrick Medley ve ekibi manyetik bir sistemde negatif mutlak sıcaklık olabileceğini gösterdi.
Negatif sıcaklıklarla ilgili yeni araştırmalar, ilginç yeni bilgiler sunmaktadır. Örnek olarak, Almanya Köln Üniversitesi’nde teorik bir fizikçi olan Achim Rosch, yerçekimi alanında negatif mutlak sıcaklıktaki atomların sadece aşağı değil yukarı yönde hareket edebileceğini gösterdi. Sıfır derece sıcaklığın altındaki gaz, evreni içe doğru çekmeye çalışarak daha hızlı büyümeye zorlayan karanlık bir enerji gibi davranabilir. [1]
En Düşük Sıcaklık Nasıl Olabilir?
Mutlak sıfırı anlamak için öncelikle sıcaklığın ne olduğunu anlamak gerekir. Sıcaklık, bir madde içindeki atomların veya moleküllerin ne kadar hızlı hareket ettiğini gösteren bir ölçüdür. Başka bir deyişle bu parçacıkların ortalama kinetik enerjisidir. Bu bilgiyi biraz daha somutlaştırmak gerekirse, atomik yakar top oyunu olarak düşünülebilir. Top size değdiğinde enerjisi hissedilmez ancak görünmez derecede küçük ölçekte gerçekleşen bu yakar top vuruşlarının trilyonlarcası ile algılanan şey sıcaklıktır.
Hızlı hareket eden atomlar yüksek sıcaklık olarak hissedilir. Sıcak bir nesne soğuk bir nesne ile temas ettiğinde, daha hızlı ve daha sıcak olan atomlar hızlarının bir kısmını daha yavaş ve daha soğuk olanlar atomlara verir. Sıcak nesne soğur, soğuk nesne ısınır. Mutlak sıfır, bir madde içindeki parçacıkların hareketsiz olduğu sıcaklıktır. Onları daha da yavaşlatmak için başka bir yol yoktur, bu nedenle daha düşük sıcaklık olamaz. Mutlak sıfırda maddeler tamamen hareketsiz değildir, kuantum fiziği ile ilgili etkiler sonucunda sallınma hareketi gösterirler. Ne kadar soğuk olursa olsun her atomdaki aktivite devam eder. Elektronlar, protonlar ve nötronlar gibi hareket etmeye devam eder.
Kim Mutlak Sıfırı Keşfetti?
Çocukluğunda işitme kaybı yaşayan ve asla üniversiteye gidemeyen Fransız mucit Guillaume Amontons, 1702’de bu kavramlar üzerinde çalışmalar yaptı. Yaptığı deneyler, hava basıncının sıcaklıkla orantılı ve basıncın minimum olduğunu gösterdi. Hatta bu sıcaklığın eksi 240 ºC olduğu tahmininde bulundu. Bu değer gerçek değere yakındır.
1848’de, Lord Kelvin olarak bilinen İskoç-İrlandalı fizikçi William Thomson, Amontons’un çalışmalarını ilerleterek tüm maddelere uygulanacak mutlak sıcaklık ölçeğini geliştirdi. Ölçeğinde mutlak sıfırı 0 olarak ayarlayarak negatif sayılardan kurtuldu. Fizikçiler artık sıcaklık ölçümlerini Kelvin (K) ölçeğine göre yapıyorlar.
Evrendeki En Soğuk Yer Neresi?
Büyük Patlama sonrasında kalan enerji tüm evreni ısıtarak mutlak sıfırın çok üzerinde bir değerde olmasını sağlar. Ortalama alan sıcaklığı 2.74 Kelvin veya – 454.7 derece F’dir. Bazı gök cisimleri boş alandan daha soğuktur. Boomerang Bulutsusu adı verilen ve genişleyen bir gaz bulutu yıldızlararası bir buzdolabı gibi davranır. Yaklaşık 1 K sıcaklıkta, kozmosta kendiliğinden oluşan en soğuk yerdir. Ancak bilim insanları dünyada daha soğuk bir sıcaklık elde ettiler. 2003 yılında MIT’deki araştırmacılar, sodyum atomlarını yavaşlatmak için lazer ışınları kullanarak onları mutlak sıfırın üstünde bir derecenin milyarda birinin yarısına kadar soğutdular, bu halen dünya rekorudur. Evrendeki en soğuk yer yapaydır. Astronotlar, Uluslararası Uzay İstasyonunda Cold Atom Lab adlı bir deneyi aktive ettiler. Laboratuvar boş alandan 30 milyon kat daha düşük sıcaklıklara ulaştı. NASA’nın deneyi tasarlayan araştırmacılardan biri olan Jet Propulsion Lab’dan Robert Thompson, “Bu fikir üzerinde 20 yılı aşkın bir süredir çalıştıklarını söyledi.
Madde Aşırı Soğuduğunda Ne Olur?
Aşırı soğuk atomları büyüleyici ve potansiyel olarak faydalı şekillerde davranırlar. Bose-Einstein yoğuşması adı verilen tuhaf bir madde oluşturmak için birleşerek bireysel kimliklerini kaybederler. Mutlak sıfıra yakın değerlerde kimyasal reaksiyonları diğer koşullarda olması imkansız olan şekillere dönüştürmek mümkündür.
Harvard kimyageri Kang-Kuen Ni iki düşük sıcaklıklı yavaş hareket eden atomdan bir molekül oluşturdu ve çalışması şimdiye kadar yapılan en küçük kimya deneyi oldu. Bu koşullar altında, kuantum fiziğinin ince etkileri daha kolay bir şekilde görülür. Bu aşırı soğuk sıcaklıklarda atomların ve moleküllerin dalga doğasını gözlemlenebilir. Mutlak sıfır deneyleri ile planlanan uygulamalar arasında hassas sensörler, saatler ve ultra güçlü bilgisayarlar yer almaktadır.
Hazırlayan: Rabiye Baştürk
