Vědci dosáhli teploty pod absolutní nulou

Michal Černý  |  Věda

Dosáhnout teploty pod nulou kelvinů? Na první pohled to nedává smysl. Výzkumníci z mnichovské univerzity však znovu předvedli, že to možné je.

Na začátku ledna tohoto roku proběhla médii zajímavá zpráva. V prestižním vědeckém časopise Nature vyšel článek, že vědci v Mnichově připravili kvantový plyn o teplotě pod absolutní nulou. Absolutní nula je minus 273,15 stupně Celsia, viz Wikipedie.

Na první pohled to vypadá jako nesmysl. Absolutní nuly přece nelze dosáhnout, je možné se k ní pouze přibližovat, podobně jako je tomu u jiných fyzikálních veličin, například u rychlosti světla. Také z toho důvodu jsou závody o co nejnižší teploty mezi vědci tak oblíbené – výzkumníci se mohou snažit o co nejnižší teploty donekonečna, a za své úsilí dostávat nekonečné množství Nobelových cen.

Pokud se blížíme teplotám blízkým k absolutní nule, začínají se projevovat pozoruhodné kvantové vlastnosti hmoty, jako je supravodivost či supratekutost. O tom si můžete více přečíst v článku Až zamrzne peklo od Martina Tůmy.

Vědci, kteří se zabývají fyzikou nízkých teplot, však vědí, že teplota pod absolutní nulou není nic neobvyklého a nového. „Dosáhnout záporných teplot pod absolutní nulou je z fyzikálního hlediska možné, tato věc je známá již dlouho,“ říká fyzik Miloš Rotter z Matematicko-fyzikální fakulty UK. Pojďme se podívat na to, jakým trikem vědci z mnichovské univerzity těchto teplot dosáhli.

Energie a entropie: všechno je naopak

Co je to vlastně teplota látky? Zjednodušeně by se dalo říct, že jde o energii částic. Představíme-li si horký čaj, částice v něm mají vysokou kinetickou energii; v tekutině víří velmi rychle a chaoticky. Naopak, pokud se čaj ochlazuje, pohyb částic se zpomaluje a jejich energie klesá.

Důležitým ukazatelem je v tomto případě entropie (Wikipedia). Tato veličina by se dala popsat jako „míra neuspořádanosti“. Jestliže čaj v hrnku ohříváme, dodáváme částicím energii, jejich pohyb je stále rychlejší a chaotičtější. S přidáváním energie tak roste i entropie, systém je stále méně uspořádaný, částice víří stále chaotičtěji. Pokud naopak čaj chladne, pohyb částic je stále pomalejší, až nakonec kolem nuly stupně Celsia tekutina zamrzne v led. Systém se tak stane více uspořádaným, entropie klesne.

Vtip spočívá v tom, že je možné vytvořit takovou látku, kde je to s energií a entropií přesně naopak. Tím, že do systému přidáváme energii, entropie překvapivě neroste, ale naopak se sníží. Ze vztahu mezi energií, entropií a teplotou pak vyplývá, že systém má zápornou absolutní teplotu – tedy teplotu, která se vlastně dostala „na druhou stranu“, do „země za zrcadlem“, pod absolutní nulu. Absolutní nuly není možné dosáhnout ani z této opačné strany, je možné se k ní pouze limitně přibližovat.

O absolutní nule začal poprvé hovořit chemik Robert Boyle v 17. století
O absolutní nule začal poprvé hovořit chemik Robert Boyle v 17. století

Více energie, nižší teplota

Jak toho vědci dosáhli? Podle zprávy z časopisu Nature nejprve připravili ultrachladný plyn složený z atomů draslíku. Použili lasery a magnetická pole, aby atomy udrželi v mřížkovém uspořádání. Při kladných teplotách nad absolutní nulou se od sebe atomy odpuzují. Tým vědců potom rychle přenastavil magnetické pole, což způsobilo, že se atomy spíše přitahovaly, než odpuzovaly.

„To náhle posunulo atomy z jejich vysokého energetického stavu do nízkoenergetického stavu, ještě předtím, než mohly reagovat,“ říká autor experimentu Ulrich Schneider z Univerzity Ludwiga Maximiliana v Mnichově. „Je to podobné, jako kdybyste chodili údolím a náhle se ocitli na vrcholku hory.“ Vědci se tak dostali několik miliardtin kelvinů pod absolutní nulu a dosáhli absolutní záporné teploty. Další přidávání energie by entropii nezvyšovalo, ale naopak snižovalo.

Nejde však o průlom

Nositel Nobelovy ceny Wolfgang Ketterle (Wikipedia), který předtím demonstroval negativní absolutní teploty, nazývá tuto poslední práci jako „experimentální tour de force“. Exotické vysokoenergetické stavy, které je obtížné vytvořit v laboratoři v kladných teplotách, se v záporných absolutních teplotách stávají stabilními. Nové techniky tak mohou umožnit detailní studium těchto stavů. „Mohl by to tak být nový způsob, jak vytvořit nové formy hmoty v laboratoři,“ uvedl Ketterle.

Podle vědců se hmota v tomto stavu chová poněkud podivně, a to i z hlediska gravitace. Normálně by oblaka atomů byla tažena dolů silou přitažlivosti. Pokud má ale část oblaku zápornou absolutní teplotu, některé atomy by se pohybovaly nahoru a překonaly by tak gravitaci. Za záporných teplot by mohly pracovat tepelné stroje s účinností vyšší než sto procent (neporušoval by se zákon o zachování energie, ale teplo by mohlo proudit naopak z chladnější látky do teplejší).

Podle Miloše Rottera se však nejedná o senzaci nebo o něco průlomového. „Je zajímavé, jak prestižní časopis Nature cituje největší autority a celou věc podává jako senzaci, a přitom se nedostává prostor na skutečně důležité události a objevy. Záporné teploty jsou známé již dlouho z procedur jaderné magnetické rezonance, dynamické polarizace či záření laserů. Nová je pouze metoda, jakou vědci z mnichovské univerzity těchto teplot dosáhli,“ uzavírá Miloš Rotter.

Nejčtenější