Door Hazel Muir
(Beeld: ESA/NASA)
De merkwaardige dingen die bij lage temperaturen gebeuren, blijven voor verrassingen zorgen. Vorige week meldden wetenschappers dat moleculen in een ultrakoud gas chemisch kunnen reageren op afstanden die tot 100 keer groter zijn dan bij kamertemperatuur.
In experimenten dichter bij kamertemperatuur hebben chemische reacties de neiging te vertragen naarmate de temperatuur daalt. Maar wetenschappers ontdekten dat moleculen bij een ijskoude temperatuur van slechts een paar honderd miljardste van een graad boven het absolute nulpunt (-273,15°C of 0 kelvin) nog steeds atomen kunnen uitwisselen en daarbij nieuwe chemische bindingen kunnen smeden, dankzij vreemde kwantumeffecten die hun bereik bij lage temperaturen vergroten.
“Het is heel redelijk om te verwachten dat wanneer je naar het ultrakoude regime gaat, er geen noemenswaardige chemie zou zijn,” zegt Deborah Jin van de Universiteit van Colorado in Boulder, wiens team de bevinding rapporteerde in Science (DOI: 10.1126/science.1184121). “Dit artikel zegt nee, er is veel chemie aan de gang.”
Advertentie
New Scientist neemt een kijkje in het vreemde en wonderbaarlijke rijk van de ultrakoude.
Waarom is het absolute nulpunt (0 kelvin of -273,15°C) een onmogelijk doel?
Praktisch gezien neemt het werk dat nodig is om warmte aan een gas te onttrekken toe naarmate je het kouder krijgt, en er zou een oneindige hoeveelheid werk nodig zijn om iets tot het absolute nulpunt af te koelen. In kwantumtermen kun je de schuld geven aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat zegt dat hoe nauwkeuriger we de snelheid van een deeltje kennen, hoe minder we weten over zijn positie, en omgekeerd. Als je weet dat je atomen zich in je experiment bevinden, moet er een bepaalde onzekerheid in hun momentum zijn die hen boven het absolute nulpunt houdt – tenzij je experiment zo groot is als het hele heelal.
Wat is de koudste plek in het zonnestelsel?
De laagste temperatuur die ooit in het zonnestelsel is gemeten, was op de maan. Vorig jaar heeft NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter temperaturen gemeten van maar liefst -240°C in permanent beschaduwde kraters bij de zuidpool van de maan. Dat is ongeveer 10 graden kouder dan de temperaturen die tot nu toe op Pluto zijn gemeten. Brrrrrrrrr.
Wat is het koudste natuurlijke object in het heelal?
De koudste bekende plek in het heelal is de Boemerangnevel, 5.000 lichtjaar bij ons vandaan in het sterrenbeeld Centaurus. Wetenschappers meldden in 1997 dat gassen die uit een stervende centrale ster waaiden, uitdijden en snel afkoelden tot 1 kelvin, slechts één graad warmer dan het absolute nulpunt. Gewoonlijk zijn gaswolken in de ruimte opgewarmd tot ten minste 2,7 kelvin door de kosmische microgolf-achtergrond, de reststraling die is overgebleven van de oerknal. Maar de expansie van de Boemerangnevel creëert een soort kosmische koelkast, waardoor de gassen hun ongewone koelte kunnen behouden.
Wat is het koudste object in de ruimte?
Als je kunstmanen meetelt, wordt het nog kouder. Sommige instrumenten op het Planck-ruimteobservatorium van de Europese ruimtevaartorganisatie, dat in mei 2009 is gelanceerd, zijn bevroren tot 0,1 kelvin, om microgolfruis te onderdrukken die anders het zicht van de satelliet zou vertroebelen. De ruimteomgeving, gecombineerd met mechanische en cryogene koelsystemen die waterstof en helium gebruiken, koelen de koudste instrumenten in vier opeenvolgende stappen af tot 0,1 kelvin.
Wat is de laagste temperatuur die ooit in het laboratorium is bereikt?
De laagste temperatuur ooit gemeten was hier op aarde in een laboratorium. In september 2003 maakten wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology bekend dat zij een wolk natriumatomen hadden afgekoeld tot een recordhoogte van 0,45 nanokelvin. Eerder hadden wetenschappers van de Technische Universiteit van Helsinki in Finland in 1999 een temperatuur van 0,1 nanokelvin bereikt in een stuk rhodiummetaal. Dit was echter de temperatuur voor slechts één bepaald type beweging – een kwantumeigenschap die kernspin wordt genoemd – niet de algehele temperatuur voor alle mogelijke bewegingen.
Welke vreemde gedragingen kunnen gassen vertonen in de buurt van het absolute nulpunt?
In alledaagse vaste stoffen, vloeistoffen en gassen ontstaat warmte of thermische energie door de beweging van atomen en moleculen als ze rondzweven en op elkaar botsen. Maar bij zeer lage temperaturen gelden de vreemde regels van de kwantummechanica. Moleculen botsen niet in de conventionele zin; in plaats daarvan strekken hun kwantummechanische golven zich uit en overlappen elkaar. Wanneer ze elkaar op deze manier overlappen, vormen ze soms een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat, waarin alle atomen zich identiek gedragen als een enkel “superatoom”. Het eerste zuivere Bose-Einsteincondensaat werd in 1995 in Colorado gemaakt met behulp van een wolk rubidiumatomen die tot minder dan 170 nanokelvin waren afgekoeld.
Meer over deze onderwerpen:
- kwantummechanica
- temperatuur
- absoluut nulpunt