Ko je mrzlo, da bolj ne bi moglo biti
Približevanje absolutni ničli: Napeta znanstvena bitka pri doseganju izjemno nizkih temperatur.
Odpri galerijo
Najnižja temperatura, kar so jih kdaj dosegli znanstveniki, je trenutno 100 pikokelvinov ali 0,0000000001 kelvina. Foto Shutterstock
V obdobju, ko so pustolovci tekmovali, katera odprava bo prej osvojila mrzla prostranstva severnega in južnega tečaja, je v znanosti potekala podobno napeta bitka v osvajanju kraljestva mraza in nizkih temperatur. Znanstveniki so se poskušali čim bolj približati absolutni ničli oziroma najnižji mogoči temperaturi, ki je nekaj manj kot –273 °C.
Absolutna ničla je temperatura, pri kateri so atomi in molekule v najnižjem energijskem stanju oziroma imajo najnižjo možno kinetično energijo. Čeprav absolutne ničle v laboratoriju nikoli ne moremo povsem doseči, se ji lahko zelo približamo. Danes znajo znanstveniki atome s posebnimi tehnikami ohladiti do le majhnega delčka stopinje nad teoretično najnižjo temperaturo. Da so razvili takšne tehnike, je bilo potrebno veliko znanja, vztrajnosti, iznajdljivosti in poguma.
Škotski fizik in kemik James Dewar je v 19. stoletju razvil veliko tehnik in pripomočkov za delo z zelo hladnimi plini in tekočinami. Med drugim je iznašel vakuumsko ali Dewarjevo posodo, ki jo danes uporabljamo tudi, ko želimo, da čaj ostane čim dlje vroč. Posoda preprečuje prevajanje toplote med notranjostjo in okolico, saj ima v stenah vakuum.
Dewar je bil znan kot zanimiv predavatelj, na svojih seminarjih je pogosto pritegnil pozornost občinstva tudi z atraktivnimi eksperimenti. Kot raziskovalec je želel nadaljevati delo svojega vzornika Michaela Faradaya, ki je med drugim s poskusi pokazal, da se nekateri plini, denimo amonijak, pod visokim tlakom utekočinijo. Faradaya je zanimalo, ali to velja za vse pline. Ugotovil je, da nekaterih plinov, kot so vodik, dušik in kisik, nikakor ne more pretvoriti v tekočine. S tehnologijo utekočinjanja plinov, ki jo je imel takrat na voljo, mu je uspelo vzpostaviti temperature le do –130 °C, kar je bila za nekatere pline še vedno previsoka temperatura.
Leta 1873 je nizozemski fizik Johannes Diderik van der Waals pojasnil, zakaj nekaterih plinov ni mogoče tako preprosto utekočiniti. Iz podatkov o silah med atomi in molekulami mu je uspelo izračunati, kakšno kritično temperaturo mora posamezni plin preseči, da se utekočini. Kisik, dušik in vodik je bilo treba za utekočinjenje ohladiti še bistveno bolj, kot so sprva domnevali. Najbolj zahteven je bil vodik, saj naj bi se spremenil v kapljevino šele pri nekaj desetih stopinjah nad absolutno ničlo.
Dewar si je postavil cilj, da bo kot prvi utekočinil vodik. Postopek doseganja nizkih temperatur je bil takrat zelo zahteven, saj so morali v laboratoriju zaporedoma utekočinjati pline, ki so imeli vedno nižje temperature prehoda v stanje kapljevine. Prvi utekočinjen plin se je uporabil za hlajenje in utekočinjanje naslednjega in tako po vrsti do vedno nižjih temperatur.
Da bi na koncu utekočinili še vodik, so morali najprej ustvariti zelo mrzlo okolje s pomočjo drugih plinov, posamezni plin pa so morali tudi zelo močno stisniti. Ker so delali z zelo visokimi tlaki in pri zelo nizkih temperaturah, je bila nevarnost eksplozije velika. Nesreče so bile pogoste in nekoč je Dewarjev sodelavec zaradi eksplozije izgubil oko. Čeprav je Dewar v laboratorijskih dnevnikih vestno opisal vse, kar se je pri eksplozijah poškodovalo na opremi, poškodb asistentov ni omenjal.
Leta 1898 mu je končno uspelo utekočiniti vodik in doseči temperaturo –250 °C. Prepričan je bil, da je izvedel velik znanstveni preboj, a so ravno takrat odkrili še helij, ki naj bi se utekočinil pri še nižji temperaturi - le približno 5 stopinj nad absolutno ničlo, kar je takoj postal nov mejnik, ki so ga raziskovalci poskušali doseči. V lov za rekordom se je podal tudi Dewar, a je imel težave predvsem s pridobivanjem dovolj velike količine helija. Ko je njegovemu asistentu precej težko pridobljenega plina po pomoti ušlo, ker je odprl napačen ventil, je postalo jasno, da ga bodo drugi znanstveniki tokrat prehiteli.
Nizozemcu Heikeju Kamerlinghu Onnesu je leta 1908 prvemu uspelo utekočiniti helij in doseči nov rekord v približevanju absolutni ničli. Ko so izvajali eksperiment, ki je trajal ves dan, saj so morali postopoma ustvariti vedno nižje temperature, je bil menda tako zatopljen v delo, da ga je morala žena s kosilom pitati, saj ni hotel prekiniti dela niti za minuto. A trud je bil poplačan.
Ko so bili pomembni mejniki pri osvajanju nizkih temperatur na začetku 20. stoletja tako doseženi, se je začelo raziskovanje lastnosti, ki jih imajo snovi, ko so zelo ohlajene. Leta 1911 so tako ugotovili, da nekatere snovi nimajo več električnega upora pri temperaturah le nekaj stopinj nad absolutno ničlo. Kamerlingh Onnes je skrivnostni pojav poimenoval superprevodnost in si za dosežke pri raziskovanju lastnosti zelo hladnih snovi leta 1913 prislužili tudi Nobelovo nagrado.
Poleg superprevodnosti so pri zelo nizkih temperaturah zaznali še en nenavaden pojav. Tekoči helij se je pri nadaljnjem ohlajanju pretvoril v posebno vrsto tekočine, ki ni imela viskoznosti. Novo stanje so poimenovali supertekočina in ga sprva niso znali pojasniti, a so pravilno domnevali, da se odgovor skriva v takrat še razmeroma novi teoriji kvantne fizike.
Konec maja je Nasa na Mednarodno vesoljsko postajo poslala Cold Atom Lab oziroma napravo, s katero bodo lahko atome ohladili še bliže absolutni ničli, kot je bilo do sedaj to mogoče na Zemlji. V orbiti okoli Zemlje je namreč breztežno stanje, kar znanstvenikom olajša lasersko hlajenje in preučevanje snovi pri ekstremno nizkih temperaturah, ko postanejo izraziti tudi nekateri nenavadni kvantni pojavi.
***
Sašo Dolenc je urednik Kvarkadabre, spletnega časopisa za popularizacijo znanosti.
Absolutna ničla je temperatura, pri kateri so atomi in molekule v najnižjem energijskem stanju oziroma imajo najnižjo možno kinetično energijo. Čeprav absolutne ničle v laboratoriju nikoli ne moremo povsem doseči, se ji lahko zelo približamo. Danes znajo znanstveniki atome s posebnimi tehnikami ohladiti do le majhnega delčka stopinje nad teoretično najnižjo temperaturo. Da so razvili takšne tehnike, je bilo potrebno veliko znanja, vztrajnosti, iznajdljivosti in poguma.
Iznajdba termoizolacijske posode
Škotski fizik in kemik James Dewar je v 19. stoletju razvil veliko tehnik in pripomočkov za delo z zelo hladnimi plini in tekočinami. Med drugim je iznašel vakuumsko ali Dewarjevo posodo, ki jo danes uporabljamo tudi, ko želimo, da čaj ostane čim dlje vroč. Posoda preprečuje prevajanje toplote med notranjostjo in okolico, saj ima v stenah vakuum.
Dewar je bil znan kot zanimiv predavatelj, na svojih seminarjih je pogosto pritegnil pozornost občinstva tudi z atraktivnimi eksperimenti. Kot raziskovalec je želel nadaljevati delo svojega vzornika Michaela Faradaya, ki je med drugim s poskusi pokazal, da se nekateri plini, denimo amonijak, pod visokim tlakom utekočinijo. Faradaya je zanimalo, ali to velja za vse pline. Ugotovil je, da nekaterih plinov, kot so vodik, dušik in kisik, nikakor ne more pretvoriti v tekočine. S tehnologijo utekočinjanja plinov, ki jo je imel takrat na voljo, mu je uspelo vzpostaviti temperature le do –130 °C, kar je bila za nekatere pline še vedno previsoka temperatura.
Pri absolutni ničli imajo atomi in molekule najnižjo možno kinetično energijo.
Absolutne ničle nikoli ne moremo povsem doseči, se ji pa lahko zelo približamo.
Nekatere snovi blizu absolutne ničle nimajo električnega upora in viskoznosti.
Absolutne ničle nikoli ne moremo povsem doseči, se ji pa lahko zelo približamo.
Nekatere snovi blizu absolutne ničle nimajo električnega upora in viskoznosti.
Leta 1873 je nizozemski fizik Johannes Diderik van der Waals pojasnil, zakaj nekaterih plinov ni mogoče tako preprosto utekočiniti. Iz podatkov o silah med atomi in molekulami mu je uspelo izračunati, kakšno kritično temperaturo mora posamezni plin preseči, da se utekočini. Kisik, dušik in vodik je bilo treba za utekočinjenje ohladiti še bistveno bolj, kot so sprva domnevali. Najbolj zahteven je bil vodik, saj naj bi se spremenil v kapljevino šele pri nekaj desetih stopinjah nad absolutno ničlo.
Nesreče pri osvajanju nizkih temperatur
Dewar si je postavil cilj, da bo kot prvi utekočinil vodik. Postopek doseganja nizkih temperatur je bil takrat zelo zahteven, saj so morali v laboratoriju zaporedoma utekočinjati pline, ki so imeli vedno nižje temperature prehoda v stanje kapljevine. Prvi utekočinjen plin se je uporabil za hlajenje in utekočinjanje naslednjega in tako po vrsti do vedno nižjih temperatur.
Da bi na koncu utekočinili še vodik, so morali najprej ustvariti zelo mrzlo okolje s pomočjo drugih plinov, posamezni plin pa so morali tudi zelo močno stisniti. Ker so delali z zelo visokimi tlaki in pri zelo nizkih temperaturah, je bila nevarnost eksplozije velika. Nesreče so bile pogoste in nekoč je Dewarjev sodelavec zaradi eksplozije izgubil oko. Čeprav je Dewar v laboratorijskih dnevnikih vestno opisal vse, kar se je pri eksplozijah poškodovalo na opremi, poškodb asistentov ni omenjal.
Leta 1898 mu je končno uspelo utekočiniti vodik in doseči temperaturo –250 °C. Prepričan je bil, da je izvedel velik znanstveni preboj, a so ravno takrat odkrili še helij, ki naj bi se utekočinil pri še nižji temperaturi - le približno 5 stopinj nad absolutno ničlo, kar je takoj postal nov mejnik, ki so ga raziskovalci poskušali doseči. V lov za rekordom se je podal tudi Dewar, a je imel težave predvsem s pridobivanjem dovolj velike količine helija. Ko je njegovemu asistentu precej težko pridobljenega plina po pomoti ušlo, ker je odprl napačen ventil, je postalo jasno, da ga bodo drugi znanstveniki tokrat prehiteli.
−270,42
stopinje Celzija je povprečna temperatura v vesolju.
stopinje Celzija je povprečna temperatura v vesolju.
Superlastnosti supertekočin
Nizozemcu Heikeju Kamerlinghu Onnesu je leta 1908 prvemu uspelo utekočiniti helij in doseči nov rekord v približevanju absolutni ničli. Ko so izvajali eksperiment, ki je trajal ves dan, saj so morali postopoma ustvariti vedno nižje temperature, je bil menda tako zatopljen v delo, da ga je morala žena s kosilom pitati, saj ni hotel prekiniti dela niti za minuto. A trud je bil poplačan.
Ko so bili pomembni mejniki pri osvajanju nizkih temperatur na začetku 20. stoletja tako doseženi, se je začelo raziskovanje lastnosti, ki jih imajo snovi, ko so zelo ohlajene. Leta 1911 so tako ugotovili, da nekatere snovi nimajo več električnega upora pri temperaturah le nekaj stopinj nad absolutno ničlo. Kamerlingh Onnes je skrivnostni pojav poimenoval superprevodnost in si za dosežke pri raziskovanju lastnosti zelo hladnih snovi leta 1913 prislužili tudi Nobelovo nagrado.
Ko so izvajali eksperiment, ki je trajal ves dan, je bil menda tako zatopljen v delo, da ga je morala žena s kosilom pitati.
Poleg superprevodnosti so pri zelo nizkih temperaturah zaznali še en nenavaden pojav. Tekoči helij se je pri nadaljnjem ohlajanju pretvoril v posebno vrsto tekočine, ki ni imela viskoznosti. Novo stanje so poimenovali supertekočina in ga sprva niso znali pojasniti, a so pravilno domnevali, da se odgovor skriva v takrat še razmeroma novi teoriji kvantne fizike.
Konec maja je Nasa na Mednarodno vesoljsko postajo poslala Cold Atom Lab oziroma napravo, s katero bodo lahko atome ohladili še bliže absolutni ničli, kot je bilo do sedaj to mogoče na Zemlji. V orbiti okoli Zemlje je namreč breztežno stanje, kar znanstvenikom olajša lasersko hlajenje in preučevanje snovi pri ekstremno nizkih temperaturah, ko postanejo izraziti tudi nekateri nenavadni kvantni pojavi.
***
Sašo Dolenc je urednik Kvarkadabre, spletnega časopisa za popularizacijo znanosti.
