10 دقیقه
صفر مطلق — صفر کلوین — دمایی است که حرکت حرارتی اتم‌ها به طور نظری می‌بایست متوقف شود. به نظر ساده می‌آید: کافی است گرما را کم‌کنیم تا نهایتاً همه‌چیز ایست کند. اما فیزیک می‌گوید میتوان به این حد نزدیک شد، نه اینکه از آن گذر کرد. در ادامه توضیح می‌دهیم چرا صفر مطلق به صورت بنیادی در دسترس نیست، پژوهشگران چگونه ماده را تا دماهایی تقریباً غیرقابل تصور خنک میکنند و وقتی فیزیکدانان از «دمای منفی» صحبت میکنند دقیقاً چه منظوری دارند.
معنای واقعی صفر مطلق
دانشمندان معمولاً از مقیاس کلوین استفاده میکنند زیرا نقطه آغاز آن صفر مطلق است: 0 K متناظر با نبود کامل انرژی حرارتی است. دما اندازه‌گیری میانگین انرژی جنبشی اتم‌ها و مولکول‌هاست. در دماهای بالاتر ذرات سریع‌تر حرکت میکنند — در جامدات مرتعش‌اند، در سیالات به‌صورت همرفتی و در گازها با سرعت بالاتر جریان دارند. کاهش دما به معنی کم کردن انرژی جنبشی و کند شدن این حرکت‌هاست.
به طور شهودی ممکن است فکر کنید با استخراج مقدار کمی گرما بیشتر میشود تا حرکت اتمی کاملاً متوقف شود. اما قانون سوم ترمودینامیک این امکان را در هر توالی متناهی از عملیات منع میکند. به شکل پیشنهادی والتر نرنست، این قانون می‌گوید هیچ فرایندی که در تعداد محدودی گام انجام شود نمیتواند سامانه را به صفر مطلق برساند. از لحاظ عملی، هر چه سامانه سردتر میشود حذف انرژی باقیمانده دشوارتر میشود؛ آخرین کسرهای حرکت حرارتی به منابع یا زمان به‌طور نمایی بیشتری نیاز دارند.
در عمل، «صفر مطلق» نه‌تنها یک تکینگی نظری است بلکه مرزی عملیاتی: برای حذف کامل انرژیِ داخلی باید تمامی درجات آزادیِ حرارتی را کاملاً قفل کرد که در جهان واقعی با نویز محیطی، نقص‌های ساختاری و نوسانات کوانتومی امکان‌پذیر نیست. حتی فرایندهای کنترل و اندازه‌گیری نیز خود هزینهٔ حرارتی دارند و به عبارت دیگر ابزارهایی که برای سرد کردن استفاده می‌کنیم ممکن است به سامانه گرما تزریق کنند یا حداقل جلوی سرد شدن کامل را بگیرند.
چگونه دانشمندان ماده را تا دماهای بسیار پایین خنک میکنند — اما هرگز به صفر نمی‌رسند
یخچالهای روزمره گرما را از داخل یک محفظه به محیط منتقل میکنند با استفاده از چرخهٔ تراکم و انبساط. همین اصل در فیزیک پایین‌دما نیز مقیاس‌بندی میشود: خنک‌کننده‌ها و تبرید چندمرحله‌ای دما را گام‌به‌گام کاهش میدهند. هلیوم مایع-4، برای مثال، در فشار اتمسفر در حدود 4.2 K می‌جوشد و سال‌هاست که نقش موتور اصلی آزمایش‌های بسیار سرد را بر عهده دارد. برای دستیابی به دماهای پایین‌تر، آزمایشگاه‌ها از هلیوم-3، یخچالهای رقیقکننده (dilution refrigerators)، دماژهدایی آدیاباتیک و روشهای پیچیده‌تر استفاده میکنند.
- تبرید مرحلهای: ترکیب چندین مرحلهٔ تبرید (شامل استفاده از کمپرسورها، مبدل‌های حرارتی و مایعات کریوژنیک) دما را به تدریج پایین می‌آورد و از ایجاد جهش‌های حرارتی ناخواسته جلوگیری میکند.
- هلیوم-3 و یخچال رقیقکننده: در بسیاری از آزمایش‌ها برای رسیدن به میلی‌کلوین‌ها از مخلوط‌های هلیوم-3/هلیوم-4 بهره می‌برند که می‌توانند دما را به زیر یک هزارم کلوین برسانند.
- دماژهدایی آدیاباتیک (Adiabatic demagnetization): با تغییر میدان مغناطیسی و بهره‌برداری از خواص اسپینی مواد مغناطیسی میتوان انرژی حرارتی را کاهش داد و دما را بسیار پایین برد.
سردسازی لیزری — تکنیکی که در سال 1997 با جایزهٔ نوبل فیزیک به برندگان آن (استیون چو، کلود کوهن-تانو، و ویلیام دی. فیلیپس) شناخته شد — با اجازه دادن به اتم‌ها که فوتون جذب و بازتاب کنند، حرکت آنها را کند میکند. پرتوهای لیزر با تنظیم دقیق یک «ملاس نوری» (optical molasses) ایجاد میکنند که سرعت‌های اتمی را کم کرده و گازها را به رِنج‌های میکروکلوین یا حتی نانوکلوین می‌رساند. سردسازی تبخیری (evaporative cooling) و سردسازی همدرد (sympathetic cooling) دامنهٔ کاربرد را گسترش میدهند و امکان ایجاد کندانس بوز–اینشتین و حالت‌های کوانتومی عجیب دیگر را فراهم میکنند.
ترفندهای پیچیده‌تر، مانند دِمگنتیزاسیون هسته‌ای (nuclear demagnetization) و تلههای مغناطیسی یا نوری بسیار دقیق، دماهای نمونه را تا میلیاردها و حتی تریلیونیم‌های کلوین در سامانه‌های بسیار کنترل‌شده پایین برده‌اند. گزارش‌های تجربی دماهایی در مرتبهٔ 10^-9 تا 10^-11 K را در تنظیمات خاص اعلام کرده‌اند. با این همه، هر رکورد آزمایشی هنوز بالاتر از 0 K قرار دارد: قوانین ترمودینامیک، تلفات عملی و کوپلینگ با محیط همیشه انرژی باقیمانده‌ای باقی می‌گذارند.
جنبه‌های فنی که کار سردسازی را پیچیده میکنند شامل وات حرارتیِ پس‌زمینه، تبادل حرارتی از طریق پرتوها یا لرزش‌های مکانیکی، نویز الکترونیکی در مدارهای کنترلی و محدودیت‌های عملکرد حسگرها برای تشخیص دماهای بسیار پایین است. بنابراین دستیابی به «صفر کلوین» نه‌تنها مسئلهٔ تئوری است بلکه چالشی بینهایت سخت‌گیرانه در مهندسی و طراحی آزمایشگاهی نیز هست.
چرا قانون سوم مانع رسیدن به صفر میشود
قانون سوم را میتوان به طرق مختلف بیان کرد، اما تصویر مفید مبتنی بر آنتروپی است: با سرد شدن یک سامانه، آنتروپی آن به حداقل نزدیک میشود. رسیدن به صفر مطلق مستلزم حذف آخرین ذره‌های آنتروپی است — عملاً منزوی کردن و ترتیب دادن کامل سامانه. هر فرایند واقعی با محدودیت‌هایی روبه‌رو میشود: تعداد گامهای محدود، نقص‌های دستگاهی، نوسانات کوانتومی، همبستگی با محیط و هزینهٔ ترمودینامیکیِ کنترل و اندازه‌گیری.
کارهای نظری اخیر نیز نشان میدهند که رسیدن به 0 K در هر مدل فیزیکی معقول نیازمند زمان نامتناهی است. به عبارت دیگر، برای اینکه یک سامانه واقعی تحت تکامل ترمودینامیکی معمول به صفر مطلق برسد، جهان باید از لحاظ زمانی بینهایت پیر باشد. این نتیجه از تحلیل رفتار نرخ تبادل انرژی و کاهش آنتروپی در فرایندهای پیوسته حاصل میشود؛ سرعتِ نزدیک شدن به صفر کاهش می‌یابد تا جایی که برای گرفتن رقم‌های نهایی به زمان یا منابع نامحدود نیاز است.
به‌علاوه، در مقیاس‌های کوانتومی مفاهیمی مثل نوسانات صفر-نقطه (zero-point fluctuations) و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مانع خاموش شدن کامل درجات آزادی می‌شوند؛ حتی در پایین‌ترین حالت انرژی (ground state) سامانه، انرژی صفر-نقطه‌ای وجود دارد که قابل حذف نیست. این واقعیت‌های بنیادیِ کوانتومی و ترمودینامیکی با هم یک قید قوی بر امکان‌پذیریِ فریز کامل می‌سازند.
دمای منفی: سردتر از سرد یا داغتر از داغ؟
گاهی فیزیکدانان دربارهٔ «دمای منفی» صحبت میکنند. این عبارت ظاهراً متناقض است: چگونه میتوان سردتر از صفر بود؟ پاسخ در سامانههایی است که مجموعهٔ حالات انرژیِ آنها محدود است و در آنها وارونگی جمعیتی (population inversion) ممکن میشود. در چنین سامانههایی، افزودن انرژی می‌تواند آنتروپی را کاهش دهد — رفتاری که خلاف حالت معمول است — و پارامتری که به عنوان دما در ترمودینامیک تعریف میشود، منفی میشود.
مهم است این نکته را روشن کنیم که حالت‌های دارای دمای منفی، سردتر نیستند؛ در واقع آنها از هر دمای مثبت «داغتر» تلقی می‌شوند. اگر یک سامانه با دمای منفی را در مجاورت یک سامانهٔ متعارف با دمای مثبت قرار دهید، گرما از سامانهٔ دمای منفی به سامانهٔ مثبت جریان پیدا میکند. این نوع حالات معکوس‌شده در پژوهش‌های ویژه مفید هستند — برای مثال در سیستمهای اسپینی خاص یا شبیهسازهای کوانتومی مهندسی‌شده — اما هیچ‌یک از این پدیده‌ها قانون سوم را نقض نمی‌کنند.
نمونه‌هایی از سامانههایی که می‌توانند دمای مؤثر منفی نشان دهند عبارت‌اند از: شبکه‌های نوریِ به‌شدت تابع از انرژی، سیستمهای اسپین با باند انرژی محدود و گازهای کوانتومی در پتانسیل‌های مهندسی‌شده. کاربردهای عملی این حالات در مطالعهٔ ناپایداری‌ها، ایجاد شرایط غیرترمودینامیکی کنترل‌شده و درک بهتر پویایی‌های غیرتعادلی نهفته است. با این حال، مفهوم «دمای منفی» نیازمند دقت در تعریف پارامترهای ترمودینامیکی و محدوده‌های انرژی است تا سوءتعبیرهای ساده‌انگارانه پیش نیاید.
اهمیت این موضوع: پیامدها برای فناوری و فیزیک بنیادین
فیزیک فوق‌سرد بیش از یک کنجکاوی نظری است. تکنیک‌های نزدیک‌شدن به صفر مطلق زیربنای محاسبات کوانتومی، مترو لوژی دقیق، ساعت‌های اتمی بسیار پایدار و کشف فازهای کوانتومی جدید را فراهم میکنند. در حوزهٔ فناوری، توسعهٔ روشهای سردسازی بهتر باعث بهبود عملکرد کیوبیت‌های ابررسانا، کاهش خطای حسگرها و افزایش دقت دستگاه‌های اندازه‌گیری میشود.
در سطح بنیادین، محدودیت‌های ناشی از عدم امکان رسیدن به صفر مطلق یک مرز نظری و عملی تعیین میکنند: هرچند می‌توانیم حالت‌های پایهٔ کوانتومی را با وفاداری بالا نزدیک کنیم، همواره محدودیت‌های ترمودینامیکی و فنی مانع کمال مطلق هستند. این موانع خود محرک نوآوری‌اند؛ تلاش برای کاهش کوپلینگ با محیط، طراحی تلههای بهتر و توسعهٔ روشهای کنترل کوانتومی سبب پیشرفت‌های گسترده در فیزیک و مهندسی شده است.
علاوه بر کاربردهای فناوری، مطالعهٔ سامانه‌های نزدیک به صفر مطلق به ما امکان میدهد پدیده‌های کوانتومیِ جمعی مانند ابررسانایی، ابرروانی، برهم‌کنش‌های هماهنگ و فازهای توپولوژیک را در شرایطی بررسی کنیم که آشکارسازی اثرات ظریف کوانتومی ممکن میشود. این حوزه بینشی به سمت سوالات بنیادی در فیزیک مادهٔ چگال، کوانتوم استاتیک و دینامیک غیرتعادلی فراهم می‌آورد.
دیدگاه یک متخصص
«قانون سوم هم مرزی عملیاتی است و هم یک محدودیت نظری،» می‌گوید دکتر لیلا مورگان، فیزیکدان مادهٔ چگال. «در آزمایشگاه ما راهکارهای روزافزون و هوشمندانه‌ای برای جدا کردن سامانه‌ها از محیط و بیرون کشیدن انرژی حرارتی طراحی می‌کنیم، اما همیشه با کوپلینگ باقیمانده و نویز مواجه‌ایم. همین نقص‌های کوچک هستند که صفر مطلق را همیشه دور نگه می‌دارند — و در عین حال محرک نوآوری در تکنیک‌های خنک‌سازی و کنترل کوانتومی‌اند.»
درک صفر مطلق هم یک درس در فیزیک بنیادین است و هم منبع الهام برای مهندسیِ دقیق. ما نمی‌توانیم جهان را کاملاً منجمد کنیم، اما رقابت برای نزدیک‌تر شدن به این حد و کاوش رفتارهای کوانتومی در دماهای بسیار پایین یکی از پربازده‌ترین چالش‌های علم مدرن باقی مانده است. توسعهٔ فناوری‌های سردسازی، طراحی آزمایش‌های با حساسیت فوق‌العاده و مطالعهٔ حالات کوانتومی نزدیک به پایه، همه در خدمت پاسخ به سوالاتی هستند که مرزهای علم و فناوری را عقب می‌رانند.
منبع: smarti
ارسال نظر