در صفر مطلق چه اتفاقي مي‌افتد

آيا مي‌دانيد در دماي صفر مطلق (273 – سانتي‌گراد) چه اتفاقاتي مي‌افتد؟ چرا دست‌يابي به اين دما هيچ وقت در عمل امكان‌پذير نيست و چه نقاط يا اجرامي در زمين،‌ يا حتي دنيا وجود دارند كه به اين دما نزديكند؟

بهنوش خرم‌روز:‌ حتما درباره صفر مطلق شنيده‌ايد، تقريبا 273 درجه سانتي‌گراد زير صفر. آيا مي‌دانيد در اين دماي خاص چه اتفاقاتي مي‌افتد؟ چرا دست‌يابي به اين دما هيچ وقت در عمل امكان‌پذير نبوده است؟ و چه نقاط يا اجرامي در زمين،‌ يا حتي دنيا وجود دارند كه به اين دما نزديكند؟

در واقع به نظر مي‌رسد كه هنوز هم ما جواب اين سوال‌ها را كامل نمي‌دانيم، زيرا اتفاقاتي كه در اين دما مي‌افتند، هم‌چنان شگفت‌انگيز و غافل‌گيركننده است. براي نمونه،‌ هفته پيش دانشمندان اعلام كرده‌اند كه مولكول‌هاي گاز بسيار سرد شده ‌مي‌توانند تا صد بار بيشتر از مولكول‌هاي گاز در دماي اتاق، واكنش شيميايي داشته باشند.

به گزارش نيوساينتيست، در آزمايش‌هايي كه در دماي نزديك به دماي اتاق صورت مي‌گيرند،‌ واكنش‌هاي شيميايي با كاهش دما كندتر مي‌شوند. اما اخيرا دانشمندان متوجه شده‌اند كه در دماي نزديك به صفر مطلق (15/273- سانتي‌گراد يا صفر درجه كلوين) تبادل اتم‌ها كماكان انجام مي‌گيرد و اين امر، باعث ايجاد اتصالات شيميايي جديد در اين فرايد مي‌شود. به نظر مي‌رسد اين فرايند مديون تاثيرات خارق‌العاده كوانتومي است كه قابليت‌هاي مولكول‌ها را در دماي پايين افزايش مي‌دهد.

به گفته دبورا جين از دانشگاه كلرادو‌ كه مقاله‌اي در مورد اين يافته جديد منتشر كرده،‌ شايد خيلي منطقي به نظر برسد كه انتظار نداشته باشيم در صفر مطلق اثري از واكنش‌هاي شيميايي باشد، اما در واقع اين طور نيست و در اين دما واكنش‌هاي فراواني صورت مي‌گيرد.

اما چرا دست يافتن به دماي صفر مطلق غيرممكن است؟
از نظر عملي، اين كار نياز به اين دارد كه گرماي گاز را بگيريد؛‌ اما هر چه دما را پايين بياوريد،‌ گرماي بيشتري را بايد از گاز بگيريد. در واقع براي رسيدن به صفر مطلق بايد اين كار را تا بي‌نهايت ادامه داد. در زبان كوانتوم، بايد به سراغ اصل عدم قطعيت هايزنبرگ برويم كه مي‌گويد هر چه دقيق‌تر در مورد سرعت يك ذره بدانيم،‌ كم‌تر در مورد موقعيت آن خواهيم دانست و برعكس. بنابراين اگر مي‌دانيد كه اتم‌هايتان در آزمايش‌تان وجود دارند،‌ بايد تاحدي نسبت به سرعت حركت آن‌ها و اين كه بالاي صفر مطلق هستند يا نه، نامطمئن باشيد،‌ مگر اين كه وسعت آزمايش شما به اندازه كل هستي باشد!

فكر مي‌كنيد سردترين جاي منظومه شمسي ما كجاست؟
سردترين جايي كه تا به حال در منظومه شمسي ما پيدا شده، روي كره ماه است. سال گذشته، ماهواره اكتشافي ماه ناسا، دماي گودال هميشه در سايه‌اي را در قطب جنوب ماه اندازه‌گيري كرد: 240- درجه سانتي‌گراد. اين دما حتي از دماي اندازه‌گيري شده براي پلوتو كه فاصله‌اش از خورشيد 40 برابر فاصله زمين از خورشيد است نيز 10 درجه سردتر است.

فكر مي‌كنيد سردترين جرم طبيعي دنيا چه چيزي باشد؟



سردترين جاي شناخته شده دنيا، قلب سحابي بومرنگ است كه در منظومه قنطورس قرار گرفته و پنج‌هزار سال نوري با ما فاصله دارد. دانشمندان در سال 1997/ 1376 گزارش كردند كه گازهاي به جا مانده از يك ستاره مركزي در حال مرگ، با سرعت خبره‌كننده‌اي جارو مي‌شوند و آن ناحيه از فضا تا دماي يك درجه كلوين سرد شده است، يعني تنها يك درجه گرم‌تر از دماي صفر مطلق. معمولا آثار به جا مانده از تشعشعات حاصل از انفجار بزرگ، يا همان تابش ريزموج زمينه كيهاني، ابرهاي گازي موجود در فضا را تا 2.7 كلوين گرم مي كند. اما انبساط سحابي بومرنگ نوعي يخچال كيهاني پديد آورده كه باعث مي‌شود گازها سرماي غيرعادي خود را همچنان حفظ كنند و گرم‌تر از اين نشوند.

با اين حساب، سردترين جسم موجود در فضا چيست؟
اگر ماهواره‌هاي مصنوعي را هم به حساب بياوريد، ‌هنوز اجرام سردتري هم پيدا مي‌شود. برخي ابزار موجود در تلسكوپ فضايي پلانك متعلق به آژانس فضايي اروپا،‌ كه ارديبهشت ماه 1388 به فضا پرتاب شد، تا دماي 0.1 كلوين سرد شده‌اند تا پارازيت‌هاي ريزموجي را كه ممكن است ديد ماهواره را مختل نمايند،‌ متوقف كنند. محيط فضا، در تركيب با سيستم‌هاي خنك‌كننده مكانيكي و سرمازاهايي كه از گازهاي هليوم و هيدروژن استفاده مي‌كردند، طي چهار مرحله متوالي توانستند سردترين جرم فضا را در 0.1 كلوين نگه دارند.

كم‌ترين دمايي كه در آزمايشگاه‌ها به آن دست يافته‌ايم، چه قدر بوده است؟
با همه آن‌چه گفته شد، ركورد كم‌ترين دما متعلق به يك آزمايشگاه روي سياره زمين است. در سال 2003/ 1382 دانشمندان موسسه فناوري ماساچوست (ام.آي.تي) اعلام كردند كه ابري از اتم‌هاي سديم را تا 0.45 نانوكلوين سرد كرده‌اند، كه اين رقم ركورد را شكست. پيش از آن،‌ در سال 1999/ 1378 دانشمندان دانشگاه صنعتي هلسينكي در كشور فنلاند توانسته بودند قطعه‌اي از فلز روديم را تا 1 نانوكلوين سرد نمايند. با اين وجود، اين دما تنها براي نوع خاصي از جنبش (كه در كوانتوم چرخش هسته‌اي ناميده مي‌شود) است و نه دماي كلي همه جنبش‌هاي ممكن.

فكر مي‌كنيد گازها در دماي نزديك به صفر مطلق چه رفتار عجيب و غريبي از خود نشان مي‌دهند؟
در گازها، مايعات و جامداتي كه روزمره با آن‌ها سر و كار داريم،‌ جنبش اتم‌ها و مولكول‌ها و برخورد آن‌ها با يكديگر باعث گرما يا انرژي حرارتي مي‌شود. اما در دماهاي بسيار پايين، چنين نيست. در اين دماها، قوانين عجيب مكانيك كوانتوم حاكم است؛ به طوري كه مولكول‌ها به روال معمول با يكديگر برخورد نمي‌كنند، بلكه امواج مكانيكي كوانتوم آن‌ها گسترش مي‌يابند و با هم هم‌پوشاني پيدا مي‌كنند. وقتي آن‌ها بدين صورت هم‌پوشاني پيدا مي‌كنند، حالت چگالش بوز- انيشتين را شكل مي‌دهند كه در آن، اتم‌ها به نحوي رفتار مي‌كنند كه انگار يك اَبَراتم واحد هستند. اولين چگالش بوز- انيشتين خالص،‌ در سال 1995/ 1374 در كلرادو با استفاده از ابر اتم‌هاي روبيديومي ساخته شد كه تا دماي كم‌تر از 170 درجه كلوين سرد شده بودند و پديدآورندگان آن، توانستند جايزه نوبل فيزيك را از آن خود كنند.