Przez Hazel Muir
(Image: ESA/NASA)
Ciekawe rzeczy, które dzieją się w niskich temperaturach, nie przestają podrzucać niespodzianek. W zeszłym tygodniu naukowcy donieśli, że cząsteczki w ultrazimnym gazie mogą reagować chemicznie na odległość nawet 100 razy większą niż w temperaturze pokojowej.
W eksperymentach bliższych temperaturze pokojowej, reakcje chemiczne mają tendencję do spowalniania w miarę obniżania temperatury. Ale naukowcy odkryli, że cząsteczki w niskich temperaturach, zaledwie kilkaset miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego (-273.15°C lub 0 kelwinów) mogą nadal wymieniać atomy, wykuwając nowe wiązania chemiczne w procesie, dzięki dziwnym efektom kwantowym, które rozszerzają ich zasięg w niskich temperaturach.
„Jest całkowicie uzasadnione oczekiwanie, że kiedy przejdziesz do ultra-zimnego reżimu, nie będzie żadnej chemii, o której można by mówić”, mówi Deborah Jin z Uniwersytetu Kolorado w Boulder, której zespół poinformował o odkryciu w Science (DOI: 10.1126/science.1184121). „Ten papier mówi, że nie, dzieje się tam dużo chemii”.
Reklama
New Scientist przygląda się dziwnej i cudownej sferze ultrazimnej.
Dlaczego zero absolutne (0 kelwinów lub -273,15°C) jest celem niemożliwym do osiągnięcia?
Praktycznie, praca potrzebna do usunięcia ciepła z gazu wzrasta im zimniej się robi, a nieskończona ilość pracy byłaby potrzebna do schłodzenia czegoś do zera absolutnego. W kategoriach kwantowych, możesz winić zasadę nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że im dokładniej znamy prędkość cząstki, tym mniej wiemy o jej położeniu i na odwrót. Jeśli wiesz, że atomy znajdują się w twoim eksperymencie, musi istnieć jakaś niepewność co do ich pędu, która utrzymuje je powyżej zera absolutnego – chyba że twój eksperyment jest wielkości całego wszechświata.
Jakie jest najzimniejsze miejsce w Układzie Słonecznym?
Najniższa temperatura, jaką kiedykolwiek zmierzono w Układzie Słonecznym, znajdowała się na Księżycu. W zeszłym roku, należący do NASA Lunar Reconnaissance Orbiter zmierzył temperaturę tak niską jak -240°C w stale zacienionych kraterach w pobliżu księżycowego bieguna południowego. To około 10 stopni zimniej niż temperatury zmierzone do tej pory na Plutonie. Brrrrrrr.
Jaki jest najzimniejszy naturalny obiekt we wszechświecie?
Najzimniejszym znanym miejscem we wszechświecie jest Mgławica Bumerang, 5 000 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Centaura. Naukowcy donieśli w 1997 roku, że gazy wydmuchiwane z centralnej, umierającej gwiazdy rozszerzyły się i gwałtownie ochłodziły do 1 kelwina, tylko o jeden stopień cieplejszego od zera absolutnego. Zazwyczaj obłoki gazu w kosmosie były podgrzewane do co najmniej 2,7 kelwina przez kosmiczne mikrofalowe tło, promieniowanie reliktowe pozostałe po wielkim wybuchu. Jednak ekspansja Mgławicy Bumerang tworzy coś w rodzaju kosmicznej lodówki, pozwalając gazom zachować niezwykły chłód.
Jaki jest najzimniejszy obiekt w kosmosie?
Jeśli liczyć sztuczne satelity, robi się jeszcze chłodniej. Niektóre instrumenty w kosmicznym obserwatorium Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, wystrzelonym w maju 2009 roku, są zamrożone do 0,1 kelwina, aby stłumić szum mikrofalowy, który w przeciwnym razie zamgliłby wizję satelity. Środowisko kosmiczne, w połączeniu z mechanicznymi i kriogenicznymi systemami chłodzenia wykorzystującymi wodór i hel, schładza najzimniejsze instrumenty do 0,1 kelwina w czterech kolejnych krokach.
Jaka jest najniższa temperatura, jaką kiedykolwiek osiągnięto w laboratorium?
Najniższa temperatura, jaką kiedykolwiek zanotowano, została osiągnięta tu, na Ziemi, w laboratorium. We wrześniu 2003 roku naukowcy z Massachusetts Institute of Technology ogłosili, że schłodzili chmurę atomów sodu do rekordowej wartości 0,45 nanokelwina. Wcześniej, w 1999 roku naukowcy z Politechniki Helsińskiej w Finlandii osiągnęli temperaturę 0,1 nanokelwina w kawałku metalu rodowego. Była to jednak temperatura dla jednego konkretnego rodzaju ruchu – właściwości kwantowej zwanej spinem jądrowym – a nie ogólna temperatura dla wszystkich możliwych ruchów.
Jakie dziwne zachowania mogą wykazywać gazy w pobliżu zera bezwzględnego?
W codziennych ciałach stałych, cieczach i gazach ciepło lub energia cieplna powstaje w wyniku ruchu atomów i molekuł, które poruszają się i odbijają od siebie. Ale w bardzo niskich temperaturach panują dziwne zasady mechaniki kwantowej. Molekuły nie zderzają się w konwencjonalnym sensie; zamiast tego, ich kwantowe fale mechaniczne rozciągają się i nakładają na siebie. Kiedy nakładają się na siebie w ten sposób, czasami tworzą tak zwany kondensat Bosego-Einsteina, w którym wszystkie atomy zachowują się identycznie jak jeden „superatom”. Pierwszy czysty kondensat Bosego-Einsteina został stworzony w Kolorado w 1995 r. przy użyciu chmury atomów rubidu schłodzonych do temperatury poniżej 170 nanokelwinów.
Więcej na ten temat:
- mechanika kwantowa
- temperatura
- zero bezwzględne
.