Auch „Licht“ lässt sich einfrieren! Was genau ist der Begriff „absoluter Nullpunkt“ von -273,15 Grad?

Was ist Temperatur?

Wenn Sie diese Frage hören, denken Sie vielleicht: „Geht es bei der Temperatur nicht einfach darum, wie kalt oder heiß etwas ist?“ Das ist sicherlich wahr. Darüber hinaus hatte Galileo bereits zu Beginn des 16. Jahrhunderts ein einfaches Thermometer zur Temperaturmessung erfunden.

Doch wenn wir eine weitere Frage stellen: Was spiegelt die von uns gemessene Temperatur eigentlich wider?

Ist die Antwort nicht so einfach? Tatsächlich ist die Temperatur die makroskopische Manifestation der thermischen Bewegung von Molekülen, Atomen oder kleineren Partikeln, aus denen Materie besteht. Dabei gilt: Je höher die gemessene Temperatur, desto intensiver ist die thermische Bewegung der Teilchen.

Die nächste Frage ist dann: Gibt es eine Ober- und Untergrenze für die Temperatur?

Wissenschaftler haben theoretisch spekuliert, dass es eine Obergrenze der Temperatur gibt, die sogenannte Planck-Temperatur. Allerdings ist diese Temperatur mit 140 Millionen Billionen Billionen Grad Celsius sehr, sehr hoch. Diese Temperatur herrschte nur zum Zeitpunkt der Entstehung des Universums. Es ist unmöglich, diese Obergrenze im Universum zu erreichen, in dem die Menschheit heute lebt. Daher liegt die Obergrenze der Temperatur im täglichen Leben weit jenseits der menschlichen Vorstellungskraft.

Gibt es eine Untergrenze für die Temperatur? Man kann mit Sicherheit sagen, dass es eine Untergrenze für die Temperatur gibt. Dies wird durch die Definition der Temperatur bestimmt. Wenn die thermische Bewegung aller Partikel innerhalb eines Objekts stoppt, erreicht das Objekt seine untere Temperaturgrenze. Diese Untergrenze wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet. Die Temperatur des absoluten Nullpunkts beträgt 0 Kelvin (K), also -273,15 Grad Celsius (℃).

Was ist das Konzept dahinter?

Laut Guinness-Buch der Rekorde liegt der kälteste Ort der Erde in der Antarktis, wo die niedrigste Temperatur minus 89,12 Grad Celsius beträgt. Flüssiger Stickstoff, der üblicherweise zur Kühlung verwendet wird, hat nur eine Temperatur von -196 °C, also 77 Kelvin. Selbst das beste Kühlmittel, flüssiges Helium, erreicht in der Regel nur -269 °C, also 4,2 Kelvin.

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Diese Temperatur scheint nur einen Millimeter vom absoluten Nullpunkt entfernt zu sein. Können wir also den absoluten Nullpunkt erreichen, wenn wir uns mehr anstrengen?

Wie bereits erwähnt, kommt die thermische Bewegung von Molekülen und Atomen zum Stillstand, wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht, als wären sie vollständig eingefroren. Doch wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, gelten die uns bekannten makroskopischen physikalischen Gesetze nicht mehr und ein anderes komplexes physikalisches Gesetz – die Quantenmechanik – gewinnt die Oberhand.

Für jedes beobachtete Teilchen im Universum ist es unmöglich, gleichzeitig seinen Impuls und seine exakte Position genau zu kennen. Dies ist das berühmte Heisenbergsche Unschärfeprinzip.

Unter der Annahme, dass die Materie bis zu dem Punkt abgekühlt wird, an dem alle Teilchen ihre thermische Bewegung einstellen, bedeutet dies, dass die Position und der Impuls jedes Teilchens gleichzeitig genau bestimmt werden können. Dies ist jedoch aufgrund der Beschränkungen des Unschärfeprinzips unmöglich.

Um einen Schritt zurückzugehen: Selbst wenn wir den absoluten Nullpunkt erreichen, bedeutet das nicht, dass alle Bewegung vollständig zum Stillstand gekommen ist, denn die Quantenfluktuationen der Teilchen existieren zwar noch, aber die durchschnittliche thermische Bewegung ist Null. Aber es ist offensichtlich fast unmöglich, dies zu tun. Schließlich ist die Zahl der mikroskopischen Teilchen in der Materie so groß, dass, solange die Messung präzise genug ist (was eigentlich unmöglich ist), keine Hoffnung besteht, dass der Durchschnittswert den absoluten Nullpunkt erreichen kann.

Daher ist der absolute Nullpunkt ein theoretischer Wert, den wir nicht erreichen können, dem wir aber so nahe wie möglich kommen können.

Also, wo ist der kälteste Ort im Universum? Ist es im Weltraum?

In den Tiefen des Weltraums ist es tatsächlich sehr kalt, aber die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die 13,7 Milliarden Jahre nach dem Urknall übrig geblieben ist, füllt den Weltraum aus, und die Durchschnittstemperatur des Weltraums beträgt nur 2,73 Kelvin.

Wissenschaftler haben einige Methoden eingesetzt, um Temperaturen zu erreichen, die niedriger sind als die in den Tiefen des Universums. Durch Verdünnungskühlung mit He-3 und He-4 können Temperaturen unter 0,01 K erreicht werden, durch adiabatische Entmagnetisierungstechnologie können Temperaturen unter 0,001 K erreicht werden und moderne Laserkühlungstechnologie kann Moleküle auf 0,000001 K oder Atome auf 0,00000000045 K abkühlen, was sehr, sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegt.

Warum untersuchen Wissenschaftler so niedrige Temperaturen? Tatsächlich passieren viele magische Dinge, wenn die Temperatur eines Objekts sehr niedrig ist.

Die meisten Materialien weisen bei Raumtemperatur einen Widerstand auf, bei vielen Materialien sinkt dieser bei niedrigen Temperaturen jedoch auf 0. Null Widerstand bedeutet null Stromenergieverlust. Kabel aus supraleitenden Materialien können den Energieverlust bei der Stromübertragung erheblich reduzieren.

Noch erstaunlicher ist, dass supraleitende Materialien bei niedrigen Temperaturen völlig antimagnetisch werden und fast allen externen Magnetfeldern widerstehen. Selbst wenn etwas mit einem ausreichend starken Magnetfeld in das Innere des Materials eindringt, kann es die magnetischen Flusslinien festhalten. Aufgrund dieser Eigenschaft wurde die supraleitende Magnetschwebebahn erfunden. Es ist schneller und sicherer als herkömmliche Magnetschwebebahnen.

Natürlich wird es bei ultraniedrigen Temperaturen viele unerwartete Phänomene geben, wie etwa Supraflüssigkeiten oder sogar Suprafestkörper, Ladungsfraktionierung usw., und die Manifestation dieser Quanteneffekte wird sehr offensichtlich sein. Stellen Sie sich vor: Wenn wir niedrige Temperaturen kontrollieren und die Quantenwelt nach Belieben manipulieren könnten, würde die Zukunft ganz anders aussehen!

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.

Autor: Science streicht populärwissenschaftliches Team

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften