Was ist der legendäre „absolute Nullpunkt“?

Der absolute Nullpunkt, dieses Konzept fasziniert unzählige Menschen. Wir alle haben von dieser Temperatur gehört, wissen aber wenig über ihren spezifischen Wert und ihre Bedeutung. Was genau ist dieser mysteriöse absolute Nullpunkt? Welche seltsamen Phänomene treten bei solch extrem niedrigen Temperaturen auf? Lassen Sie uns heute das Geheimnis des absoluten Nullpunkts lüften und es herausfinden.

Absoluter Nullpunkt

Der absolute Nullpunkt bezieht sich auf die Temperatur eines Objekts bei null Kelvin oder -273,15 Grad Celsius. Es handelt sich um die unterste Temperaturgrenze und sie gilt als wichtiger Maßstab in Disziplinen wie der Thermodynamik und der statistischen Mechanik. Das Konzept wurde erstmals vom britischen Physiker William Thomson vorgeschlagen und im späten 19. Jahrhundert von der niederländischen Physikerin Heike Onslow entdeckt. Die Temperatur des absoluten Nullpunkts beträgt 0 K, was bedeutet, dass die durchschnittliche kinetische Energie aller Materiemoleküle Null ist, was bedeutet, dass Materie keine Temperatur oder thermische Energie mehr hat. Wenn sich die Temperatur der Materie dem absoluten Nullpunkt nähert, unterliegen ihre Eigenschaften sehr seltsamen und mysteriösen Veränderungen. Wenn sich flüssiges Helium beispielsweise dem absoluten Nullpunkt nähert, verwandelt es sich in eine mysteriöse Substanz namens Supraflüssigkeit, die keine Viskosität und eine unendliche Wärmeübertragungskapazität aufweist. Wenn sich Metalle dem absoluten Nullpunkt nähern, weisen sie supraleitende Eigenschaften auf und Elektronen können im Metall frei leiten. Dies hat in den letzten Jahren zur Entstehung einer großen Zahl neuer Forschungsgebiete geführt, wie etwa verlustfreie Kühlung, Hochgeschwindigkeitsschaltungen und starke Magnetfelder, die in vielen Bereichen wie der Experimentalphysik, der Quanteninformatik und der Biomedizin breite Anwendung finden.

Obwohl der absolute Nullpunkt die theoretische Grenze darstellt, können Menschen Objekte nicht auf diese Temperatur abkühlen, da dies gegen den dritten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt, der besagt, dass kein Objekt in einer endlichen Anzahl von Schritten auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden kann.

Veränderungen am absoluten Nullpunkt

Auf molekularer Ebene markiert der absolute Nullpunkt das Ende aller thermischen Bewegung. Bei dieser extrem niedrigen Temperatur hören die thermischen Schwingungen der Moleküle fast vollständig auf und die Schwingung und Rotation von Atomen und Molekülen verschwindet fast vollständig. In dieser Situation wird die Molekülstruktur der Materie extrem stabil, was dazu führt, dass die Atome oder Moleküle der kondensierten Materie näher beieinander liegen und einen besonderen Materiezustand bilden. Supraflüssigkeiten und Supraleiter beispielsweise verlieren bei bestimmten Temperaturen ihre ursprünglichen Eigenschaften wie Viskosität und elektrischen Widerstand. Sie können ohne Reibung oder Widerstand fließen.

Diese Phänomene treten nur unter extrem niedrigen Temperaturen auf und stehen in engem Zusammenhang mit der Verlangsamung der molekularen thermischen Bewegung und Quanteneffekten. Beim absoluten Nullpunkt können sich bestimmte Bosonen auf demselben Energieniveau sammeln, ein Phänomen, das als Bose-Einstein-Kondensation bekannt ist. Dies ist ein einzigartiges Quantenphänomen, das die Möglichkeit neuer Materiezustände offenbart und wichtige Auswirkungen auf die Quantenphysik und ihre potenziellen Anwendungen hat.

Darüber hinaus vibrieren Moleküle, obwohl ihre durchschnittliche kinetische Energie beim absoluten Nullpunkt nahe Null liegt, immer noch in winzigen Mengen in Form von Quantenfluktuationen. Diese winzige Schwingung hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Eigenschaften und Struktur der Materie und ist eines der grundlegenden Phänomene der Quantenmechanik.

Schließlich können einige Isolatoren zu Leitern werden, wenn die Temperatur niedrig genug ist. Dieses Phänomen wird als Übergang vom Isolator zum Leiter bezeichnet. Beim absoluten Nullpunkt verschwinden die Schwingungen der Atome fast vollständig, was den Elektronen eine freie Bewegung im Kristallgitter ermöglicht und so zur Leitfähigkeit führt.

Generell ist der absolute Nullpunkt nicht nur ein wichtiges Konzept in den Naturwissenschaften, sondern auch ein Tor zur Erforschung der Quantenwelt. Bei dieser extremen Temperatur nimmt Materie viele einzigartige und überraschende Eigenschaften an. Diese Eigenschaften vertiefen nicht nur unser Verständnis der Natur, sondern bieten auch endlose Möglichkeiten für wissenschaftliche und technologische Innovationen.

Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden

Am Rande des Sonnensystems umkreist der eisige Pluto allein die Sonne. Die Oberflächentemperatur sinkt manchmal auf bis zu minus 248 Grad Celsius. Wenn wir jedoch in die Tiefen des Universums blicken, werden wir feststellen, dass die Temperatur dort sogar noch niedriger ist als auf Pluto. Die Hintergrundtemperatur des Weltraums ist auf minus 270,3 Grad Celsius gesunken, was Wissenschaftler als 3 K bezeichnen. Bei der Entstehung des Universums herrschte eine extrem hohe Temperatur, dann erlebte es einen schnellen Expansionsprozess, ähnlich einer Bombenexplosion, und mit der Ausbreitung der Energie sank die Temperatur des Kerns allmählich. Mit der Zeit kühlte sich die Restwärme im Weltraum ab und erreichte das, was wir heute als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung bezeichnen. Dabei handelt es sich um die Folge der nach außen abgestrahlten Energie in Form elektromagnetischer Wellen.

5.000 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet sich ein Himmelskörper namens Bumerangnebel. Dies ist ein natürlich entstandener kosmischer „Pol“, an dem die niedrigste Temperatur minus 272 Grad Celsius erreicht, zwei Grad niedriger als die Hintergrundtemperatur des Universums. Dies ist jedoch nicht normal. Wissenschaftler haben analysiert, dass sich im Weltraum ein nahezu luftleeres Raumklima befindet und daher die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit sehr gering ist. Der Bumerangnebel ist ein Nebel, der aus Gasmolekülen besteht, die von einem Stern in seinem letzten Entwicklungsstadium mit einer Geschwindigkeit von 164 Kilometern pro Sekunde nach außen ausgestoßen werden. Wenn sich diese Nebel unter dem Druck ihres Inneren ausdehnen, ist das wie eine Explosion: Das Gas dehnt sich adiabatisch aus, sein Volumen nimmt zu und seine Temperatur sinkt, sodass seine Temperatur niedriger ist als die Hintergrundtemperatur. Obwohl der Mensch im Labor den höchsten Rekordwert von 0,5×10^(-7)K erreicht hat, kann diese Temperatur nicht den absoluten Nullpunkt erreichen.

Der absolute Nullpunkt bedeutet absolute Stille, doch gemäß der Unschärferelation der Quantenmechanik können wir Position und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig messen. Wenn ein Teilchen absolut ruht, sind sowohl seine Geschwindigkeit als auch sein Impuls Null, was offensichtlich unmöglich ist. Daher kann man sich dem absoluten Nullpunkt unendlich nähern, ihn jedoch nie erreichen. Denn die Elementarteilchen, aus denen Materie besteht, müssen ihre Quanteneigenschaften beibehalten.

Die höchste Temperatur im Universum

Die höchste Temperatur im Universum ist eine unvorstellbare Zahl, die im Moment des Urknalls entstand. Bei dieser Temperatur sind alle Materie und Energie auf kleinstem Raum konzentriert und bilden den Anfangszustand des Universums. In den Augenblicken nach dem Urknall stieg die Temperatur des Universums rapide an und erreichte Werte, die wir uns nicht vorstellen können.

Nach Berechnungen der Wissenschaftler erreichte die Temperatur des Universums innerhalb weniger Sekunden nach seiner Entstehung Billionen von Grad. Diese Temperatur ist so hoch, dass alle Materie in ihre grundlegendsten Teilchen zerlegt wird, darunter Protonen, Neutronen und Elektronen. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, begannen diese Elementarteilchen, sich zu Atomen und Molekülen zusammenzuballen. Während dieses Prozesses sank die Temperatur des Universums allmählich und erreichte schließlich die Normaltemperatur, die wir heute kennen. Obwohl wir die maximale Temperatur des Universums nicht direkt messen können, ermitteln Wissenschaftler diesen Wert durch Beobachtung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.

Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist die Restwärme des Urknalls. Es durchdringt das gesamte Universum und bietet Wissenschaftlern ein wichtiges Instrument, um einen Blick auf die frühen Zustände des Universums zu werfen. Durch die Analyse von Daten der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die maximale Temperatur des Universums etwa 300 Milliarden Grad beträgt. Diese Temperatur ist im Vergleich zur Momentantemperatur während des Urknalls stark gesunken, es handelt sich jedoch immer noch um einen sehr hohen Wert.

Kurz gesagt, die höchste Temperatur des Universums wird im Moment des Urknalls erzeugt, was eine unvorstellbare Zahl ist. Obwohl wir diesen Wert nicht direkt messen können, können wir durch Beobachtung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung auf seine ungefähre Reichweite schließen. Die Existenz und Entwicklung dieser Temperatur liefern uns wichtige Hinweise zum Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums.

Würde Licht beim absoluten Nullpunkt zu einem Stab oder einer Welle gefrieren?

Zunächst müssen wir einen Punkt klarstellen: Der absolute Nullpunkt kann derzeit nicht erreicht werden, daher kann es sich bei diesem Experiment nur um eine Hypothese handeln. Aus realistischer Sicht sollten sich Atome am absoluten Nullpunkt in einem Zustand „absoluter Stille“ befinden. Wenn Licht eingreift, brechen die Atome im Licht diesen statischen Zustand auf. Einfach ausgedrückt: Licht versetzt Atome in Bewegung und diese bewegten Atome brechen ihren statischen Zustand, wodurch sie sich erhitzen und der absolute Nullpunkt nicht mehr herrscht.

Wenn wir theoretische Vermutungen anstellen, können wir uns vorstellen, welche Form Licht, das als „schnellstes Licht im Universum“ bezeichnet wird, annimmt, wenn es „fixiert“ ist. Wenn Sie raten müssten: Würden Sie es vorziehen, wenn sich das Licht in eine „Stab“- oder eine „Wellen“-Form verwandelt? Handelt es sich um einen Stab, basiert diese Erkenntnis vor allem auf geometrischer Optik. Im Physikunterricht in der High School sagte der Lehrer am häufigsten den Satz „Licht bewegt sich geradlinig“. Daher glauben viele Leute, dass das auf diese Weise emittierte Licht, wenn es am absoluten Nullpunkt eingefroren wird, definitiv zu einem geraden „Stab“ wird.

Was ist, wenn es ein Wellenmuster ist? Dies basiert auf der „Wellentheorie“ des Lichts. Newton, der als Erster die These aufstellte, dass Licht ein Teilchen sei, nutzte entsprechende Experimente, um seine These zu beweisen. Doch später, nach einer Diskussion mit Newton, glaubte Huygens, dass Licht eine „Welle“ sein müsse. In der „Wellentheorie“ des Lichts geht man davon aus, dass Licht im Wesentlichen eine „mechanische Welle“ ist. Daher glauben die Menschen wahrscheinlich, dass Licht zu einer Welle wird, weil sie diese Theorie für glaubwürdiger halten. Es ist erwähnenswert, dass gemäß der Ausbreitungstheorie von Lichtwellen nicht nur „eine Welle“, sondern „mehrere Wellen“ eingefroren werden können.

Darüber hinaus integrierte Einstein hinsichtlich der Frage, was Licht ist, die beiden kontroversen Ansichten von Teilchen und Wellen und schlug vor, dass Licht die duale Natur von Welle und Teilchen besitzt. Tatsächlich konnte in der jahrhundertelangen Debatte keiner der beiden Standpunkte vollständig beweisen, dass der andere falsch liegt. Besser ist es, „das Wesentliche zu nehmen und den Überfluss zu verwerfen“ und beides dann geschickt zu kombinieren, um eine richtige Theorie zu entwickeln.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die unterschiedliche Wahrnehmung von Licht durch die Öffentlichkeit der Hauptgrund für die Veränderungen seiner „Form“ ist. Natürlich geschieht dies alles nur in der Theorie. Wenn Sie dieses Experiment wirklich in der Realität durchführen möchten, gibt es keine Möglichkeit. Erstens kann der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden. Zweitens: Selbst wenn es eine Möglichkeit gäbe, diese Temperatur zu erreichen, würde die Form des Lichts von anderen Faktoren beeinflusst und könnte nicht stabil bleiben. Daher kann dieses Experiment nur als Hypothese betrachtet werden. Es ist wie ein Spiel ohne Schiedsrichter. Selbst wenn Sie gewinnen, kann Ihr Gewinn aus irgendeinem Grund für ungültig erklärt werden.

Dies hält uns jedoch nicht davon ab, weitere interessante Dinge zu erforschen und zu entdecken. Wie Sie sich vorstellen können, gibt es neben den üblichen Stöcken und Wellen noch viele andere interessante Formen, die darauf warten, von uns entdeckt zu werden. Tatsächlich entdeckten Wissenschaftler bei ihrer eingehenden Erforschung der wunderbaren Welt des absoluten Nullpunkts viele erstaunliche Dinge. Beispielsweise verwandeln sich diese unsichtbaren Gase in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen tatsächlich in eine „magische Flüssigkeit“. Diese wunderbaren Entdeckungen bestärken uns in der Überzeugung, dass es auf dieser Welt noch viele unbekannte Dinge gibt, die darauf warten, von uns erforscht und entdeckt zu werden.

Wunder der Welt der extrem niedrigen Temperaturen

Gas ist etwas, das in unserem Leben allgegenwärtig ist, aber oft übersehen wird. Wir atmen es täglich wie Luft, können sein „Aussehen“ jedoch nicht beschreiben, wir wissen nur, dass es uns ständig umgibt. Als die Wissenschaftler jedoch die Temperatur im Experiment weiter senkten, begannen diese unsichtbaren Gase, ihre Formen anzunehmen, wie ein „Zauberspiegel“. Nehmen wir Luft als Beispiel. Wenn die Temperatur auf über minus 190 Grad Celsius sinkt, verwandelt sich die Luft in eine hellblaue Flüssigkeit. Noch erstaunlicher ist jedoch, dass eine frische Blume, wenn man sie abbricht und in flüssige Luft legt, sich in eine „Glasblume“ verwandelt und ihre Struktur hart und spröde wird.

Wenn die Temperatur weiter sinkt, ändert sich der Zustand des Gases natürlich erneut. Nehmen wir Sauerstoff als Beispiel. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt wird Sauerstoff zu einem „Granulat“ und seine Farbe wird ebenfalls weiß. Die Veränderungen dieser Gase sind bereits jetzt erstaunlich.

Lassen Sie uns als Nächstes über die Veränderungen von Metallen in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen sprechen. Das Quecksilber in einem Thermometer wird in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen extrem hart und kann nicht mehr fließen. Dies bedeutet, dass das von uns normalerweise verwendete „Quecksilberthermometer“ keine extrem niedrigen Temperaturen messen kann. Stahl, der im wirklichen Leben normalerweise sehr fest ist, wird in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen spröde. Im wirklichen Leben können Edelstahlgeräte im Haushalt kaum kaputtgehen, und sie gehen auch dann nicht kaputt, wenn man ihr Aussehen verändert. In Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen werden Edelstahlprodukte jedoch so zerbrechlich wie Keramikschüsseln und zerspringen bei der leichtesten Berührung.

Wir haben bei unserer Erforschung des absoluten Nullpunkts viele erstaunliche Dinge entdeckt. Obwohl der absolute Nullpunkt immer noch eine theoretische Grenze darstellt, können wir durch seine Erforschung und Untersuchung ein tieferes Verständnis der Natur und der Gesetze der Welt erlangen. Mit dem Fortschritt der Technologie wird unsere Erforschung des Wertes von -273,15 °C immer gründlicher. (Bild aus dem Internet)

Autor | Kiwi

Abschluss an der Lincoln University, Neuseeland, mit Schwerpunkt Finanzwesen. Er hat ein starkes Interesse an populärwissenschaftlichem Wissen und hat populärwissenschaftliche Artikel in vielen populärwissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. Achten Sie auf Fakten und setzen Sie sich aktiv mit Spitzentechnologien auseinander.