Szerző: Hazel Muir
(Kép: ESA/NASA)
Az alacsony hőmérsékleten történő különös dolgok folyamatosan meglepetéseket okoznak. A múlt héten tudósok arról számoltak be, hogy egy ultrahideg gázban lévő molekulák akár 100-szor nagyobb távolságban is képesek kémiai reakciókra, mint szobahőmérsékleten.
A szobahőmérséklethez közelebbi kísérletekben a kémiai reakciók a hőmérséklet csökkenésével általában lelassulnak. A tudósok azonban megállapították, hogy a molekulák az abszolút nulla fok (-273,15 °C vagy 0 kelvin) feletti fagyos hőmérsékleten is képesek atomokat cserélni, és eközben új kémiai kötéseket kovácsolni, köszönhetően a furcsa kvantumhatásoknak, amelyek alacsony hőmérsékleten kiterjesztik hatókörüket.
“Teljesen ésszerű lenne azt várni, hogy amikor az ultra-hideg tartományba megyünk, akkor nem lesz említésre méltó kémia” – mondja Deborah Jin, a boulderi Coloradói Egyetem munkatársa, akinek csapata a Science-ben (DOI: 10.1126/science.1184121). “Ez a tanulmány azt mondja, hogy nem, nagyon sok kémiai folyamat zajlik”.
Hirdetés
A New Scientist az ultrahidegek furcsa és csodálatos birodalmába tekint be.
Miért lehetetlen cél az abszolút nulla (0 kelvin vagy -273,15°C)?
Gyakorlatilag a gáz hőelvonásához szükséges munka annál nagyobb, minél hidegebbre megyünk, és végtelen mennyiségű munkára lenne szükség ahhoz, hogy valamit abszolút nullára hűtsünk. Kvantumtechnikailag a Heisenberg-féle bizonytalansági elvre lehet fogni, amely szerint minél pontosabban ismerjük egy részecske sebességét, annál kevesebbet tudunk a helyzetéről, és fordítva. Ha tudod, hogy az atomjaid a kísérletedben vannak, akkor valamilyen bizonytalanságnak kell lennie a lendületükben, ami az abszolút nulla fölött tartja őket – kivéve, ha a kísérleted akkora, mint az egész világegyetem.
Melyik a leghidegebb hely a Naprendszerben?
A Naprendszerben valaha mért legalacsonyabb hőmérséklet a Holdon volt. Tavaly a NASA Lunar Reconnaissance Orbiter űrszondája -240°C-os hőmérsékletet mért a Hold déli pólusa közelében lévő, állandóan árnyékban lévő kráterekben. Ez mintegy 10 fokkal hidegebb, mint a Plútón eddig mért hőmérséklet. Brrrrrrrrrrr.
Melyik a leghidegebb természetes objektum a világegyetemben?
A világegyetem leghidegebb ismert helye a Bumeráng-köd, 5000 fényévre tőlünk, a Centaurus csillagképben. A tudósok 1997-ben arról számoltak be, hogy a központi haldokló csillagból kiáramló gázok kitágultak és gyorsan lehűltek 1 kelvinre, azaz az abszolút nulla foknál mindössze egy fokkal melegebbre. Általában az űrben lévő gázfelhőket legalább 2,7 kelvinre melegítette a kozmikus mikrohullámú háttér, az ősrobbanásból visszamaradt reliktum sugárzás. A Bumeráng-köd tágulása azonban egyfajta kozmikus hűtőszekrényt hoz létre, amely lehetővé teszi, hogy a gázok megőrizzék szokatlan hűvösségüket.
Melyik a leghidegebb objektum az űrben?
Ha a mesterséges műholdakat számítjuk, a dolgok még hűvösebbek. Az Európai Űrügynökség 2009 májusában indított Planck űrobszervatóriumának néhány műszerét 0,1 kelvinre fagyasztották le, hogy elnyomják a mikrohullámú zajt, amely egyébként elhomályosítaná a műhold látását. Az űrkörnyezet, valamint a hidrogént és héliumot használó mechanikus és kriogén hűtőrendszerek négy egymást követő lépésben 0,1 kelvinre hűtik a leghidegebb műszereket.
Melyik a laboratóriumban valaha elért legalacsonyabb hőmérséklet?
A valaha mért legalacsonyabb hőmérsékletet még itt a Földön, egy laboratóriumban mérték. 2003 szeptemberében a Massachusetts Institute of Technology tudósai bejelentették, hogy egy nátriumatomokból álló felhőt rekordot jelentő 0,45 nanokelvinre hűtöttek. Korábban a finnországi Helsinki Műszaki Egyetem tudósai 1999-ben 0,1 nanokelvin hőmérsékletet értek el egy darab ródium fémben. Ez azonban csak egy bizonyos típusú mozgás – a nukleáris spin nevű kvantumtulajdonság – hőmérsékletét jelentette, nem pedig az összes lehetséges mozgás általános hőmérsékletét.
Milyen furcsa viselkedést mutathatnak a gázok az abszolút nulla közelében?
A mindennapi szilárd anyagokban, folyadékokban és gázokban a hő vagy hőenergia az atomok és molekulák mozgásából keletkezik, amikor azok körbe-körbe cikáznak és visszapattannak egymásról. Nagyon alacsony hőmérsékleten azonban a kvantummechanika furcsa szabályai érvényesülnek. A molekulák nem ütköznek össze a hagyományos értelemben, hanem kvantummechanikai hullámaik megnyúlnak és átfedik egymást. Amikor így átfedik egymást, néha úgynevezett Bose-Einstein-kondenzátumot alkotnak, amelyben az összes atom azonos módon viselkedik, mint egyetlen “szuperatom”. Az első tiszta Bose-Einstein-kondenzátumot 1995-ben hozták létre Coloradóban, 170 nanokelvin alatti hőmérsékletre lehűtött rubídiumatomok felhőjéből.
Még többet ezekről a témákról:
- kvantummechanika
- hőmérséklet
- abszolút nulla