Von Hazel Muir
(Bild: ESA/NASA)
Die seltsamen Dinge, die bei niedrigen Temperaturen passieren, sorgen immer wieder für Überraschungen. Letzte Woche berichteten Wissenschaftler, dass Moleküle in einem ultrakalten Gas in bis zu 100-mal größeren Abständen chemisch reagieren können als bei Raumtemperatur.
In Experimenten nahe der Raumtemperatur verlangsamen sich chemische Reaktionen mit abnehmender Temperatur. Doch die Wissenschaftler fanden heraus, dass Moleküle bei kalten Temperaturen, die nur einige hundert Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C oder 0 Kelvin) liegen, immer noch Atome austauschen und dabei neue chemische Bindungen eingehen können – dank seltsamer Quanteneffekte, die ihre Reichweite bei niedrigen Temperaturen vergrößern.
„Es ist absolut vernünftig zu erwarten, dass es im ultrakalten Bereich keine nennenswerte Chemie mehr gibt“, sagt Deborah Jin von der University of Colorado in Boulder, deren Team diese Entdeckung in Science (DOI: 10.1126/science.1184121). „Diese Arbeit sagt: Nein, da ist eine Menge Chemie im Spiel.“
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New Scientist wirft einen Blick auf das seltsame und wunderbare Reich des Ultrakalten.
Warum ist der absolute Nullpunkt (0 Kelvin oder -273,15°C) ein unmögliches Ziel?
Praktisch gesehen nimmt die Arbeit, die nötig ist, um einem Gas Wärme zu entziehen, zu, je kälter man wird, und es wäre eine unendliche Menge an Arbeit nötig, um etwas auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen. In der Quantenphysik kann man dafür die Heisenbergsche Unschärferelation verantwortlich machen, die besagt, je genauer wir die Geschwindigkeit eines Teilchens kennen, desto weniger wissen wir über seine Position und umgekehrt. Wenn Sie wissen, dass sich Ihre Atome in Ihrem Experiment befinden, muss es eine gewisse Unsicherheit in ihrem Impuls geben, die sie über dem absoluten Nullpunkt hält – es sei denn, Ihr Experiment ist so groß wie das gesamte Universum.
Was ist der kälteste Ort im Sonnensystem?
Die niedrigste Temperatur, die jemals im Sonnensystem gemessen wurde, war auf dem Mond. Im vergangenen Jahr hat der Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA in ständig beschatteten Kratern in der Nähe des Mondsüdpols Temperaturen von bis zu -240°C gemessen. Das ist etwa 10 Grad kälter als die bisher auf dem Pluto gemessenen Temperaturen. Brrrrrrrrr.
Was ist das kälteste natürliche Objekt im Universum?
Der kälteste bekannte Ort im Universum ist der Bumerangnebel, 5.000 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Centaurus. Wissenschaftler berichteten 1997, dass Gase, die von einem sterbenden Zentralstern ausströmen, sich ausdehnen und schnell auf 1 Kelvin abkühlen, nur ein Grad wärmer als der absolute Nullpunkt. Normalerweise werden Gaswolken im Weltraum durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund, die vom Urknall übriggebliebene Strahlung, auf mindestens 2,7 Kelvin erwärmt. Doch die Expansion des Bumerangnebels erzeugt eine Art kosmischen Kühlschrank, der es den Gasen ermöglicht, ihre ungewöhnliche Kühle beizubehalten.
Was ist das kälteste Objekt im Weltraum?
Wenn man künstliche Satelliten mitzählt, wird es noch kälter. Einige Instrumente des im Mai 2009 gestarteten Planck-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation sind auf 0,1 Kelvin heruntergekühlt, um Mikrowellenrauschen zu unterdrücken, das sonst die Sicht des Satelliten trüben würde. Die Weltraumumgebung in Kombination mit mechanischen und kryogenen Kühlsystemen, die Wasserstoff und Helium verwenden, kühlen die kältesten Instrumente in vier aufeinanderfolgenden Schritten auf 0,1 Kelvin ab.
Was ist die niedrigste jemals im Labor erreichte Temperatur?
Die niedrigste Temperatur, die je gemessen wurde, wurde hier auf der Erde in einem Labor erreicht. Im September 2003 gaben Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology bekannt, dass sie eine Wolke aus Natriumatomen auf rekordverdächtige 0,45 Nanokelvin abgekühlt hatten. Zuvor hatten Wissenschaftler der Helsinki University of Technology in Finnland im Jahr 1999 in einem Stück Rhodiummetall eine Temperatur von 0,1 Nanokelvin erreicht. Dabei handelte es sich jedoch um die Temperatur für eine bestimmte Art von Bewegung – eine Quanteneigenschaft, die als Kernspin bezeichnet wird – und nicht um die Gesamttemperatur für alle möglichen Bewegungen.
Welches seltsame Verhalten können Gase in der Nähe des absoluten Nullpunkts zeigen?
In alltäglichen Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen entsteht Wärme oder thermische Energie durch die Bewegung von Atomen und Molekülen, wenn sie umherschwirren und aneinander abprallen. Doch bei sehr niedrigen Temperaturen herrschen die seltsamen Regeln der Quantenmechanik. Die Moleküle stoßen nicht im herkömmlichen Sinne zusammen, sondern ihre quantenmechanischen Wellen dehnen sich aus und überlappen sich. Wenn sie sich auf diese Weise überlappen, bilden sie manchmal ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, in dem sich alle Atome identisch wie ein einziges „Superatom“ verhalten. Das erste reine Bose-Einstein-Kondensat wurde 1995 in Colorado mit einer auf weniger als 170 Nanokelvin abgekühlten Wolke aus Rubidiumatomen erzeugt.
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