Až zamrzne peklo

Martin Tůma  |  Věda
Ilustrační foto (Foto: Shutterstock)

O fyzikálních aspektech pekla je toho současné vědě známo jenom velmi málo, ne-li úplně nic. Proto můžeme pouze spekulovat o teplotě, při které peklo zamrzne. Ale teplota 0 Kelvin by mohla fungovat i v tomto případě. Problém je, jak ji dosáhnout.

V běžné praxi světa kolem nás se setkáváme s teplotou určovanou ve stupních Celsia. Tato stupnice je dílem švédského astronoma a fyzika Anderse Celsia, který rozdělil teplotu mezi bodem tání a bodem varu vody na 100 dílků.

Lord Kelvin a jeho stupnice

Lord Kelvin (Foto: Wikipedia)

O něco více než 100 let po ustanovení Celsiovy stupnice přišel britský fyzik William Thompson (později lord Kelvin) se studií On an Absolute Thermometric Scale, kde definoval absolutní nulu jako teplotu, pod kterou nelze klesnout. Ale nebylo to tak, že by chladil a chladil a chladil… a když to dále nešlo, prohlásil to za absolutní nulu. Lord Kelvin 1848 na základě výzkumu tepla a jeho možné přeměny na práci pochopil, jak spolu souvisí teplota, tlak a objem plynu. Spoluzaložil základy termodynamiky a zformuloval první dva termodynamické zákony.

Právě na jejich základě lze odvodit existenci teploty, po jejímž překročení by plyn měl záporný tlak nebo záporný objem. Z měření změny tlaku plynu při změně teploty zjistil, že tato teplota je přibližně –273 °C (ve své práci vycházel z Celsiovy stupnice). Později došlo k zpřesnění této hodnoty na –273,15 °C a také zavedení nové měrné jednotky, kelvina. Proto je přesnější uvádět, že 0 °C je přesně 273,15 K.

Čím chladnější, tím lepší

0 K je teplota, při které naprosto ustává klasický pohyb částic. V současnosti se dokážeme nejmodernější chladící technikou a velmi rafinovanými chladícími metodami, jako je například chlazení laserem, přiblížit až na teploty v řádech pikokelvinů. Ale stačí už teploty kolem 1 K, aby se začaly dít nevídané věci.

Ilustrační foto (Foto: Shutterstock)

S tím, jak ustává klasický pohyb částic, vyplouvají na povrch kvantové efekty a vědci mohou pozorovat jevy jako je supravodivost či supratekutost. A vědcům potom připlouvají Nobelovy ceny; není tedy divu, že se do tohoto výzkumu každý tak hrne.

Ale i když se může zdát, že teplota jenom nepatrný zlomek od absolutní nuly je již velmi blízko, samotná absolutní nula nám zůstává i nadále nedostupná. Ale poslední výzkumy ukazují, že existuje způsob, jak tento bod přeskočit a přejít dokonce do teplot pod absolutní nulou. I když to na první pohled může vypadat, že jde o porušení zákonů termodynamiky, je to trošku jinak.

Pod absolutní nulou

O tom, že jde dosáhnout teplotu nižší než 0 K, se poprvé na vlastní laboratorní přístroje přesvědčili vědci z Finska. Ostatně odkud jinud, kromě Ruska je Finsko zemí, kde mají s mrazem nejvíce zkušeností. K pokusu použili jádra atomů stříbra, uvězněných do magnetické pasti.

Ilustrační foto (Foto: Shutterstock)

Důležité je vědět, že objekty nemohou být ochlazeny na teplotu pod absolutní nulu, ale mohou tento milník přeskočit a přejít rovnou na druhou stranu. A také, že měřítkem pro dosaženou teplotu v těchto oblastech je entropie, neboli uspořádanost daného systému. Finové to provedli náhlou změnou magnetického pole pasti, která dovedla jádra atomů stříbra do stavu s celkovou entropií pod bodem absolutní nuly. Jejich rekord bylo –1,9 nK.

V těchto místech používáme teplotu jako míru uspořádanosti látky. A pracujeme s prazvláštním stavem látky: u normální látky přidáním energie entropie narůstá, zde ale entropie s přidanou energií klesá.

Tým teoretiků z univerzity Kolýna nad Rýnem pod vedením Achima Rosche propočítal způsob, jak dosáhnout ještě nižších teplot. Místo magnetů navrhují použít lasery, které by nejdříve shromáždily atomy látky do malé, vysoce uspořádané kuličky. Druhý systém laserů by potom kolem shluku atomů vytvořil hustou síť paprsků. Dalším krokem by bylo rozprášení shluku do této mřížky. Mřížka odnese z atomů část energie a tím dojde k jejich ochlazení pod absolutní nulu.

Tým Achima Rosche jsou fyzikové teoretici, ale o praktickou realizaci experimentu se dříve nebo později někdo pokusí. Peklo nezamrzne ani při pekelně nízké entropii. Na závěr přikládám stručný přehled o důležitých teplotách a co se při nich děje.

Nejčtenější