Autor: Hazel Muir
(Obrázek: ESA/NASA)
Zajímavé věci, které se dějí při nízkých teplotách, stále přinášejí překvapení. Minulý týden vědci oznámili, že molekuly v ultrachladném plynu mohou chemicky reagovat na vzdálenost až 100krát větší, než je tomu při pokojové teplotě.
Při pokusech bližších pokojové teplotě mají chemické reakce tendenci se snižující se teplotou zpomalovat. Vědci však zjistili, že molekuly při mrazivých teplotách jen několik set miliardtin stupně nad absolutní nulou (-273,15 °C neboli 0 kelvinů) si stále mohou vyměňovat atomy a vytvářet přitom nové chemické vazby díky zvláštním kvantovým efektům, které rozšiřují jejich dosah při nízkých teplotách.
„Je naprosto rozumné očekávat, že při přechodu do ultrachladného režimu by se o žádné chemii nedalo mluvit,“ říká Deborah Jin z Coloradské univerzity v Boulderu, jejíž tým o tomto zjištění informoval v časopise Science (DOI: 10.1126/science.1184121). „Tento článek říká, že ne, že zde probíhá spousta chemie.“
Reklama
New Scientist se zabývá podivnou a úžasnou říší ultrachladu.
Proč je absolutní nula (0 kelvinů neboli -273,15 °C) nemožným cílem?
Prakticky se práce potřebná k odvedení tepla z plynu zvyšuje, čím je chladnější, a k ochlazení něčeho na absolutní nulu by bylo potřeba nekonečné množství práce. Z kvantového hlediska můžete obvinit Heisenbergův princip neurčitosti, který říká, že čím přesněji známe rychlost částice, tím méně víme o její poloze, a naopak. Pokud víte, že se vaše atomy nacházejí uvnitř experimentu, musí existovat určitá neurčitost jejich hybnosti, která je udržuje nad absolutní nulou – pokud ovšem váš experiment není velký jako celý vesmír.
Jaké je nejchladnější místo ve sluneční soustavě?
Nejnižší teplota, která kdy byla ve sluneční soustavě naměřena, byla na Měsíci. V loňském roce naměřila sonda NASA Lunar Reconnaissance Orbiter v trvale zastíněných kráterech v blízkosti jižního pólu Měsíce teplotu až -240 °C. To je asi o 10 stupňů chladněji než teploty dosud naměřené na Plutu. Brrrrrrrrr.
Jaký je nejchladnější přírodní objekt ve vesmíru?
Nejchladnějším známým místem ve vesmíru je mlhovina Bumerang, vzdálená od nás 5 000 světelných let v souhvězdí Kentaura. Vědci v roce 1997 oznámili, že plyny vycházející z centrální umírající hvězdy expandovaly a rychle se ochladily na 1 kelvin, tedy pouze o jeden stupeň teplejší než absolutní nula. Obvykle se plynná mračna ve vesmíru zahřála nejméně na 2,7 kelvinu vlivem kosmického mikrovlnného pozadí, reliktního záření, které zůstalo po velkém třesku. Rozpínání mlhoviny Bumerang však vytváří jakousi kosmickou ledničku, která umožňuje plynům udržet si neobvyklý chlad.
Jaký je nejchladnější objekt ve vesmíru?
Počítáme-li umělé družice, je ještě chladněji. Některé přístroje na vesmírné observatoři Planck Evropské kosmické agentury, která byla vypuštěna v květnu 2009, jsou zmrazeny na 0,1 kelvinu, aby se potlačil mikrovlnný šum, který by jinak zamlžil výhled družice. Vesmírné prostředí v kombinaci s mechanickými a kryogenními chladicími systémy využívajícími vodík a helium ochlazuje nejchladnější přístroje na 0,1 kelvinu ve čtyřech postupných krocích.
Jaké nejnižší teploty bylo kdy dosaženo v laboratoři?
Nejnižší teplota, která kdy byla zaznamenána, byla zaznamenána zde na Zemi v laboratoři. V září 2003 vědci z Massachusettského technologického institutu oznámili, že ochladili oblak atomů sodíku na rekordních 0,45 nanokelvinů. Již dříve, v roce 1999, dosáhli vědci z Technické univerzity v Helsinkách ve Finsku teploty 0,1 nanokelvinu v kousku kovového rhodia. Jednalo se však o teplotu pouze pro jeden konkrétní typ pohybu – kvantovou vlastnost zvanou jaderný spin – nikoli o celkovou teplotu pro všechny možné pohyby.
Jaké zvláštní chování mohou vykazovat plyny v blízkosti absolutní nuly?
V běžných pevných látkách, kapalinách a plynech vzniká teplo nebo tepelná energie z pohybu atomů a molekul, které se pohybují a odrážejí od sebe. Při velmi nízkých teplotách však vládnou zvláštní pravidla kvantové mechaniky. Molekuly se nesrážejí v běžném slova smyslu, ale jejich kvantově mechanické vlny se roztahují a překrývají. Když se takto překrývají, vytvářejí někdy takzvaný Boseho-Einsteinův kondenzát, ve kterém se všechny atomy chovají identicky jako jeden „superatom“. První čistý Boseho-Einsteinův kondenzát byl vytvořen v Coloradu v roce 1995 pomocí oblaku atomů rubidia ochlazeného na méně než 170 nanokelvinů.
Více o těchto tématech:
- kvantová mechanika
- teplota
- absolutní nula