Kdy zamrzá peklo

Michal Černý  |  Historie
Skotský fyzik a chemik James Dewar byl prvním, komu se podařilo zkapalnit vodík.

Člověk touží být ve všem nejlepší, nejchytřejší a nejrychlejší. Také proto se snaží dosahovat extrémně nízkých teplot, kdy se začínají projevovat neuvěřitelné vlastnosti hmoty. Pojďme se podívat na to, jaká byla dramatická cesta vědy za teplotami blízkými absolutní nule.

Možná si ještě pamatujete na ten vtipný e-mail, který před časem koloval po internetu.Byla v něm vyobrazena teplotní stupnice, na níž bylo popsáno, co dělají jednotlivé národy, pokud na Zemi klesá teplota. „Při plus deseti stupních obyvatelé helsinských činžáků vypínají topení“, stálo v mailu. „Při minus patnácti nejdou nastartovat americká auta. Při minus sedmdesáti zamrzá peklo. Univerzita v Kuzněcku organizuje přespolní orientační běh na zahřátí. Minus 273,15 °C. Absolutní nula. Ustává pohyb elementárních částic.

Rus, žužlaje zmrzlou vodku, připouští, že začíná být pořádná kosa.“ Vtipný mail jistě leckoho pobavil. Realita se od humorné nadsázky však liší. Extrémně nízkých teplot se snažilo dosahovat mnoho špičkových vědců už od devatenáctého století. Avšak docílit absolutní nuly, kdy „Rus začíná připouštět, že je pořádná kosa“, se zatím nepodařilo. Co víc, existuje dokonce dobrý důvod pro to se domnívat, že se to nepodaří nikdy.

Nekonečný příběh

S absolutní nulou je to podobné jako s rychlostí světla – můžeme se jí pouze přibližovat, ale podle třetího termodynamického zákona jí nikdy nedocílíme. To může být pro vědce docela dobrá zpráva – protože jsme v každém okamžiku na teplotní stupnici nekonečně daleko od absolutní nuly, můžeme se donekonečna snažit o stále nižší a nižší teploty, donekonečna žádat o granty a donekonečna dostávat Nobelovy ceny.

Podle Miloše Rottera z katedry fyziky nízkých teplot MFF UK se vědci tolik snaží o nízké teploty zejména ze dvou hlavních důvodů. „Jednak proto, že se člověk vždycky snažil dostat na místa, kde nikdo před ním nebyl – vystoupit na nejvyšší vrchol či naopak sestoupit co nejníže do hlubin oceánu. A stejně tak se snaží dosáhnout i mimořádně nízkých teplot. Druhým důvodem pak je to, že při ochlazení na teplotu blízkou absolutní nule se začínají projevovat vlastnosti hmoty, které jinak vidět nejsou.“

To je na celé věci bezpochyby pozoruhodné: ochladíme-li látku na velmi nízkou teplotu, mikroskopické kvantové vlastnosti hmoty začínají být pozorovatelné i v makroskopickém měřítku – a vědci tak začínají sledovat efekty, které jim doslova vyrážejí dech! Jedná se především o jevy supravodivosti a supratekutosti. Zatímco supratekutost zatím příliš praktické aplikace nemá, supravodivost už ano – setkáváme se s ní například v tomografech v nemocnicích nebo v moderních vlacích využívajících magnetické levitace. Zajímavé na tom je, že i když supravodivost dnes poměrně široce využíváme, zatím jí tak úplně nerozumíme. „Fyzikální výklad mikroskopické podstaty pro všechny typy supravodičů neexistuje,“ říká Miloš Rotter.

Záporný tlak a objem? Nesmysl

Myšlenku, že musí existovat teplotní mez, pod níž už nebude možné látku ochladit, vyslovil jako první francouzský vědec Guillaume Amontons, a to na začátku 18. století. O něco později byly formulovány stavové zákony plynů, které říkají, jak souvisí teplota s tlakem a objemem. Na základě těchto zákonů můžeme snadno dojít k tomu, že při určité teplotě by tlak či objem plynu dosáhly nulové nebo ještě nižší hodnoty. Jenomže, záporný tlak či objem plynu? To samozřejmě nedává smysl. Proto byla zavedena teplotní mez – absolutní nula teploty – která má hodnotu minus 273,15 °C (tedy nula kelvinů). Vědci začali dosahovat velmi nízkých teplot až při snaze o zkapalňení „permanentních“ plynů, jako je kyslík, dusík, vodík nebo helium.

První dějství cesty k absolutní nule se odehrálo v Paříži, kde ve vánočním čase 24. prosince roku 1877 zasedala Akademie přírodních věd. Na závěr zasedání otevřel profesor Dumas, stálý sekretář Akademie, zapečetěný dopis, který mu svěřil Louis- Paul Cailletet. Ten v dopisu sděloval, že se mu podařilo zkapalnit kyslík (a v roce 1877 tak dosáhl teploty 90,188 K). K překvapení všech profesor Dumas seznámil shromážděné akademiky s dalším dokumentem. Byl jím dopis ze Ženevy, v němž Raoul Pictet sděloval, že zkapalnil kyslík ochlazením stlačeného plynu kapalným oxidem siřičitým a pevným oxidem uhličitým. Jenomže, komu teď připsat prvenství – Cailletetovi, nebo Pictetovi? Podle popisu použité procedury dospěli oba k výsledku jiným způsobem, prvenství proto bylo přiznáno oběma.

Ledový zážitek z dětství

Další dějství dramatu se odehrálo v Londýně. Hlavní roli v něm sehrál James Dewar, profesor chemie na Royal Institution. James Dewar se narodil jako nejmladší ze sedmi synů skotského hostinského a obchodníka s vínem. Za svůj nejvýznamnější „nízkoteplotní“ zážitek z dětství označoval nehodu, kdy se jako desetiletý probořil tenkým ledem do mrazivé vody a strávil pak měsíce na lůžku s revmatickou horečkou. Zotavoval se z toho po řadu let a zpočátku chodil jen o berlích. Dewar vystudoval univerzitu v Edinburghu a následně působil jako profesor na Royal Institution.

Využíval své vynikající experimentální zručnosti i brilantního přednesu k popularizaci soudobých výsledků vědy. Předvedl také Cailletetovo zařízení ke zkapalnění kyslíku, seznámil publikum i s vlastnostmi vodíku, který se mu jako prvnímu podařilo zkapalnit. V roce 1895 tak dosáhl teploty 20,38 K. Dewar na svých slavných pátečních přednáškách předváděl výborně fungující experimenty, často obtížná cesta k nim však publiku zůstávala skryta. V roce 1886 došlo v jeho laboratoři dokonce k výbuchu zařízení, při kterém málem přišel o život. Oba jeho asistenti při tom byli vážně zraněni, každý přišel o jedno oko.

Měřením k poznání

V roce 2008 si fyzikové nízkých teplot připomněli sto let od významného mezníku ve vývoji fyziky dvacátého století, kterým bylo zkapalnění helia. Stalo se tak 10. července 1908 v nizozemském Leidenu, a to zásluhou systematické přípravy experimentu, kterému zasvětil 26 let své kariéry profesor leidenské univerzity Heike Kamerlingh Onnes. Když byl Onnes v roce 1882 ve svých devětadvaceti letech jmenován profesorem fyziky na univerzitě v Leidenu, vybral si jako téma inaugurační přednášky „Důležitost kvantitativních měření pro rozvoj fyziky“. Prohlásil, že nade dveřmi každé fyzikální laboratoře by měl viset nápis „Door meten tot weten“ (Měřením k poznání).

Zásadou nutnosti přesného měření se řídil po celou svou kariéru. Na konci roku 1890 zdržel o celé dva roky práce na přípravě zkapalněného vodíku neočekávaný problém. Někdo totiž udal na ministerstvu vnitra, že Kamerlingh Onnes provádí nebezpečné pokusy s velkým množstvím stlačených plynů, které mohou výbuchem zničit nejen laboratoř, ale ohrozit zdraví a životy řady lidí. Byla jmenována komise, která měla posoudit úroveň bezpečnostních opatření. Ta posléze prohlásila, že bezpečnostní opatření jsou dostatečná a Kamerlingh Onnes mohl pokračovat v experimentech. V roce 1908 se mu podařilo zkapalnit helium, čímž dosáhl teploty 4,215 K.

Jeden z experimentů, na kterém James Dewar demonstroval vlastnosti zkap. plynů. Smaltovaná konvička s vroucím kap. vzduchem o teplotě−196 °C je postavena na kus ledu z obyčejné vody o teplotě 0 °C, který ohřívá konvici vysoko nad bod varu kapalného vzduch

Neuvěřitelných 450 pikokelvinů!

V současnosti se již vědci dostávají do oblastí mnohem nižších teplot a využívají k tomu zcela jiné technologie a metody, než jejich předchůdci před sto lety. V roce 2003 byl například realizován technologicky náročný experiment – držitel Nobelovy ceny Wolfgang Ketterle se svým týmem na MIT (Massachusetts Institute of Technology) nejprve „uchopili“ několik milionů atomů sodíku do optické pinzety tvořené laserovými paprsky. Pak byly tyto atomy „polapeny“ do magnetickooptické pasti.

Následoval proces adiabatické dekomprese, při němž síť magnetických polí odstranila teplejší atomy. Díky tomu teplota kondenzátu klesla pod 3 nK (nanokelviny). Nejnižší teplota, která byla při experimentu naměřena, dosahovala neuvěřitelných 450 pK (pikokelvinů). Na celém příběhu dosahování absolutní nuly je zajímavé, že extrémně vysokých teplot panujících v nitru hvězd člověk dosáhnout neumí, zatímco v úsilí o mimořádně nízké teploty již přírodu překonal. Nejnižší teplota v přírodě činí 2,14 K, což je teplota kosmického pozadí (reliktního záření).

Miloš Rotter k tomu dodává: „Celá věc je skutečně fascinující – v přednáškách či prezentacích ukazujeme, že k určitému bodu jde příroda a níž se už umí dostat jenom člověk. Často říkám, že kdybychom někde ve vesmíru našli místo, kde by byla teplota nižší než 2,14 K, s největší pravděpodobností se tam nachází myslící bytost na vysokém stupni technologického vývoje. Samozřejmě, je otázka, k čemu je dosahování velmi nízkých teplot dobré. Zatím se ukázalo, že tam dochází ke spoustě zajímavých jevů, jako je supravodivost nebo supratekutost, které jsou užitečné. A při následujícím výzkumu se určitě ještě nějaké další objeví.“

Supravodivé vlaky

Při velmi nízkých teplotách vzniká efekt supravodivosti, který má mnohé praktické aplikace. Kromě využití ve zdravotnictví, například v magnetických rezonančních tomografech nebo v supravodivých magnetech obřích urychlovačů částic (např. Large Hadron Collider v CERN v Ženevě), se supravodivosti využívá i ve vlacích magnetické levitace (tzv. maglevy). Vlak je namísto kol vybaven speciálním systémem magnetů a pohybuje se několik centimetrů nad kolejnicí. V Evropě se používá vzdálenost kolem pěti centimetrů, v Japonsku kvůli geologické aktivitě přibližně 100 mm. Tratě pro maglevy jsou poměrně nákladné a z bezpečnostních důvodů musejí být stavěny na mostech či v tunelech, což rozvoj této technologie prodražuje. V současnosti jsou tyto vlaky v provozu v Německu, od roku 2002 funguje maglev také v Šanghaji jako příměstská dráha mezi městem a letištěm a rovněž v Japonsku – japonský JR-Maglev je provozován na zkušební trati v prefektuře Jamanaši.

Historický teploměr

273 K – bod mrazu vody

90,2 K – zkapalnění kyslíku – Cailletet, Pictet (1877)

77,3 K – zkapalnění dusíku – Wróblewski, Olszewski (1883)

20,4 K – zkapalnění vodíku – James Dewar (1898)

4,2 K – zkapalnění hélia – Heike Kamerlingh Onnes (1908)

2,14 K – teplota reliktního záření

0 K – absolutní nula (–273,15 °Celsia)

Nejčtenější