Det absolutte nulpunkt – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Det absolutte nulpunkt

28. oktober 2009

Det absolutte nulpunkt

Hej  Spørg om Fysik
Er det sandt, at al bevægelse stopper ved det absolutte nulpunkt? Hvis ja, gælder det da også elektronernes bevægelse omkring kernen samt elektronernes spin?

Med venlig hilsen
S L

 

Det absolutte nulpunkt ligger ved -273,15 ⁰C. Det er den temperatur fysikken i reglen regner ud fra og kalder T = 0 K.

Når den er så vigtig i fysikken, er det fordi, det er den laveste temperatur, der findes. Mange fysiske egenskaber aftager imod 0, når man nærmer sig til denne temperatur. Det er en temperatur man kan komme næsten vilkårlig tæt på, men ikke nå den eksakt.

Det nærmeste man i laboratoriet har været ved det absolutte nulpunkt med et større stykke stof (Rhodium), er på Helsinki University of Technology's Low Temperature Laboratory i år 2000. Her nåede man 10-10 K eller 100 pK. Man har også nået meget lave temperaturer af små grupper af molekyler i gasform ved LASER-køling. Her er rapporteret 1 * 10-9 K. I rummet er den gennemsnitlige baggrundsstråling på en temperatur omkring 2,73 K. Denne stråling er eftergløden af Big Bang (da universet opstod). Der er fundet galakser med temperaturer ned til omkring 1 K (Boomerang galaksen).

Vi kan altå ikke eksperimentelt nå det absolutte nulpunkt, men selv om vi kunne, ville alt alligevel ikke ligge stille. Helt grundlæggende i den beskrivelse af naturen man kalder kvantemekanikken, er de såkaldte Heisenbergske usikkerhedsrelationer, Werner Heisenberg (D, 1901 -  1976), nobelpris 1932.

En skriveform er :

Δx*Δv ≥ h/(2*π*m)

altså at usikkerheden i stedet for en partikel gange usikkerheden i partiklens hastighed er større end en størrelse man kalder  h,  h = 6,5260693 *10-34 Js, m er massen af partiklen.

Figuren som er fra internettet viser en skematisk tegning af den rekordsættende Finske kryostats indmad

Det fysiske indhold af formlen. Hvis en partiklerne sted låses fast, vil dens hastighed (og dermed den kinetiske energi) blive ubestemt, men i hvert fald større jo mere præcist vi kender positionen. Omvendt, hvis partiklen ligger helt stille uden hastighed, så vil positionen blive meget ubestemt, hvilket fører til stor potentiel energi. Partiklen finder et kompromis, og vil i sin laveste energitilstand - som opnås ved de laveste temperaturer -  have en smule ubestemthed i både hastighed og position. Effekten er større jo lettere partiklen er.

Når stoffer køles ned bliver de normalt faste. Det gælder også luftarter f.eks. nitrogen (kvælstof) i luften koger ved -198,79 ⁰C og bliver fast ved -210 ⁰C. Dette gælder ikke den letteste ædle luftart nemlig Helium. Uanset hvor meget man køler den ned, så vil ubestemtheden i atomernes position være større end afstanden atomerne imellem, hvilket forhindrer stoffet i at blive fast. Det vil forblive flydende, selv ved det absolutte nulpunkt. Der sker dog en anden dramatisk ting for flydende Helium ved temperaturer lavere end ca. 2 K - det bliver superflydende! Væsken kan flyde helt uden modstand, og for eksempel trænge ud gennem mikroskopiske huller i beholderen; noget som er helt umuligt for normale væsker. Dette er et andet kvantefænomen, som er i familie med superledning. Det vil dog føre for vidt, at komme nærmere ind på dette her.

Elektronernes spind er kvantisert og kan kun være ± ½, så det kan heller ikke blive nul

Med venlig hilsen
Per Hedegård, professor
Malte Olsen