Wissenschaft

Was ist Absolute Null in der Wissenschaft?

Der absolute Nullpunkt ist definiert als der Punkt, an dem einem System gemäß der absoluten oder thermodynamischen Temperaturskala keine Wärme mehr entzogen werden kann . Dies entspricht null Kelvin oder minus 273,15 ° C. Dies ist null auf der Rankine-Skala und minus 459,67 F.

Die klassische kinetische Theorie geht davon aus, dass der absolute Nullpunkt das Fehlen einer Bewegung einzelner Moleküle darstellt. Experimentelle Beweise zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist: Es zeigt vielmehr, dass Partikel am absoluten Nullpunkt eine minimale Schwingungsbewegung aufweisen. Mit anderen Worten, während Wärme möglicherweise nicht bei absolutem Nullpunkt aus einem System abgeführt wird, repräsentiert absoluter Nullpunkt nicht den niedrigstmöglichen Enthalpiezustand.

In der Quantenmechanik repräsentiert der absolute Nullpunkt die niedrigste innere Energie fester Materie in ihrem Grundzustand.

 

Absoluter Nullpunkt und Temperatur

Die Temperatur wird verwendet, um zu beschreiben, wie heiß oder kalt ein Objekt ist. Die Temperatur eines Objekts hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der seine Atome und Moleküle schwingen. Obwohl der absolute Nullpunkt Schwingungen mit ihrer langsamsten Geschwindigkeit darstellt, stoppt ihre Bewegung niemals vollständig.

 

Ist es möglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen?

Bisher ist es nicht möglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen – obwohl sich Wissenschaftler ihm genähert haben. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) erreichte 1994 eine Rekordkältetemperatur von 700 nK (Milliardstel Kelvin). Forscher des Massachusetts Institute of Technology stellten 2003 einen neuen Rekord von 0,45 nK auf.

 

Negative Temperaturen

Physiker haben gezeigt, dass es möglich ist, eine negative Kelvin- (oder Rankine-) Temperatur zu haben. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Partikel kälter als der absolute Nullpunkt sind. Vielmehr ist dies ein Hinweis darauf, dass die Energie abgenommen hat.

Dies liegt daran, dass die Temperatur eine thermodynamische Größe ist, die Energie und Entropie in Beziehung setzt. Wenn sich ein System seiner maximalen Energie nähert, beginnt seine Energie abzunehmen. Dies tritt nur unter besonderen Umständen auf, wie in Quasi-Gleichgewichtszuständen, in denen der Spin nicht im Gleichgewicht mit einem elektromagnetischen Feld ist. Eine solche Aktivität kann jedoch zu einer negativen Temperatur führen, obwohl Energie hinzugefügt wird.

Seltsamerweise kann ein System mit einer negativen Temperatur als heißer angesehen werden als eines mit einer positiven Temperatur. Dies liegt daran, dass Wärme entsprechend der Richtung definiert wird, in die sie fließt. Normalerweise fließt in einer Welt mit positiven Temperaturen Wärme von einem wärmeren Ort wie einem heißen Ofen zu einem kühleren Ort wie einem Raum. Wärme würde von einem negativen System zu einem positiven System fließen.

Am 3. Januar 2013 bildeten Wissenschaftler ein Quantengas, das aus Kaliumatomen bestand und eine negative Temperatur in Bezug auf Bewegungsfreiheitsgrade aufwies. Zuvor haben Wolfgang Ketterle, Patrick Medley und ihr Team 2011 die Möglichkeit einer negativen absoluten Temperatur in einem Magnetsystem demonstriert.

Neue Forschungen zu negativen Temperaturen zeigen zusätzliches mysteriöses Verhalten. Zum Beispiel hat Achim Rosch, ein theoretischer Physiker an der Universität zu Köln, berechnet, dass sich Atome bei einer negativen absoluten Temperatur in einem Gravitationsfeld „nach oben“ und nicht nur „nach unten“ bewegen könnten. Gas unter Null kann dunkle Energie imitieren, was das Universum dazu zwingt, sich gegen die nach innen gerichtete Anziehungskraft immer schneller auszudehnen.

 

Quellen

Merali, Zeeya. „Quantengas geht unter den absoluten Nullpunkt.“ Nature , März 2013. doi: 10.1038 / nature.2013.12146.

Medley, Patrick et al. “ Spin Gradient Demagnetization Cooling von ultrakalten Atomen .“ Physical Review Letters, vol. 106, no. 19. Mai 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.

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