Absolutní nula: Dokážeme ji někdy dosáhnout?

Definice absolutní nuly

Absolutní nula je nejnižší možná teplota, kterou lze teoreticky dosáhnout. Tato teplota je definována jako 0 Kelvinů na Kelvinově stupnici, což odpovídá -273,15 °C na Celsiově stupnici. Absolutní nula představuje stav, kdy je tepelný pohyb částic v látce minimální. Jinými slovy, při absolutní nule se zastavuje veškerý tepelný pohyb. Atomy a molekuly, které tvoří hmotu, se nacházejí ve svém nejnižším energetickém stavu a žádný další tepelný pohyb není možný. Je důležité si uvědomit, že dosažení absolutní nuly je v praxi nemožné. Existují však technologie, které nám umožňují přiblížit se k této teplotě velmi blízko. Například laserové chlazení umožňuje ochladit atomy na teploty jen několik miliontin stupně nad absolutní nulou.

Nemožnost dosažení

Absolutní nula, teplota -273,15 °C, představuje stav, kdy je tepelný pohyb částic minimální. Žádný objekt ve vesmíru nemůže dosáhnout absolutní nuly, ačkoliv se k ní můžeme libovolně přiblížit. Důvodem je třetí termodynamický zákon, který říká, že entropie systému se s klesající teplotou blíží konstantní hodnotě. Při absolutní nule by entropie dosáhla svého minima, což by znamenalo dokonalé uspořádání částic a nulový tepelný pohyb. Dosažení absolutní nuly by si vyžadovalo nekonečné množství energie a času, což je v praxi nemožné. I kdybychom dokázali systém izolovat od veškerého vnějšího tepla, stále by v něm existovaly kvantové fluktuace, které by bránily dosažení absolutní nuly. Teplota, při které se zastavuje veškerý tepelný pohyb, je tedy spíše teoretickým konceptem než dosažitelnou realitou.

Absolutní nula. Teplota, kde se čas stává bezvýznamným, kde se zastavuje tanec atomů a hmota dosahuje stavu dokonalého klidu.

Jindřich Krejčí

Důsledky absolutní nuly

Absolutní nula, 0 Kelvinů neboli -273,15 °C, představuje nejnižší možnou teplotu, jakou lze teoreticky dosáhnout. Při této teplotě se zastavuje veškerý tepelný pohyb atomů a molekul. V praxi je dosažení absolutní nuly nemožné, i když se vědci dokázali přiblížit na nepatrný zlomek stupně nad tuto hranici. Důsledky absolutní nuly jsou fascinující. Materiály by při této teplotě vykazovaly bizarní kvantové vlastnosti, například supravodivost, kdy by elektrický proud procházel bez jakéhokoli odporu. Kromě toho by se objem ideálního plynu při absolutní nule teoreticky rovnal nule. Ačkoliv je absolutní nula nedosažitelná, její studium přináší cenné poznatky o chování hmoty při extrémně nízkých teplotách a otevírá dveře k vývoji nových technologií.

Teplotní stupnice

Teplotní stupnice nám pomáhají kvantifikovat teplo a chlad. Existuje však bod, kdy se zastaví veškerý tepelný pohyb, a to je absolutní nula teploty. Tato teplota je definována jako 0 Kelvinů, což odpovídá -273,15 °C. Při absolutní nule se částice hmoty nacházejí ve svém nejnižším energetickém stavu.

Teplotní stupnice	Absolutní nula	Bod tuhnutí vody	Bod varu vody
Celsia (°C)	-273,15 °C	0 °C	100 °C
Fahrenheita (°F)	-459,67 °F	32 °F	212 °F
Kelvina (K)	0 K	273,15 K	373,15 K

Dosažení absolutní nuly je v praxi nemožné, protože by to vyžadovalo úplnou izolaci systému od okolního prostředí. I kdybychom se k absolutní nule přiblížili nekonečně blízko, vždy by existoval nepatrný tepelný pohyb. Studium chování látek při extrémně nízkých teplotách přineslo fascinující objevy, jako je supravodivost a supratekutost.

Historie objevu

Pojem absolutní nula se vynořil postupně s tím, jak se vědci zabývali vztahem mezi teplotou a objemem plynů. Již v 18. století francouzský fyzik Guillaume Amontons pozoroval, že objem plynu se s klesající teplotou zmenšuje. Na základě experimentů s chlazením vzduchu došel k hypotéze, že existuje absolutní minimum teploty, při které by objem plynu teoreticky dosáhl nuly. Tuto teplotu odhadl na -240 °C, což je překvapivě blízko skutečné hodnotě -273,15 °C. Později, v 19. století, tuto myšlenku rozvinul lord Kelvin. Na základě termodynamických principů definoval absolutní nulu jako teplotu, při které se zastavuje veškerý tepelný pohyb částic. Tato teplota se stala základem pro absolutní teplotní stupnici, známou také jako Kelvinova stupnice.

Kvantové jevy

Absolutní nula, teplota -273,15 °C, představuje stav minimální možné energie. V blízkosti absolutní nuly se ale dějí podivné věci. Klasická fyzika selhává a do hry vstupují kvantové jevy. Teplota je vlastně mírou pohybu částic. Čím vyšší teplota, tím rychleji se částice pohybují. Při absolutní nule by se veškerý tepelný pohyb zastavil. To ale není tak úplně pravda. Podle Heisenbergova principu neurčitosti nelze nikdy s absolutní přesností určit jak polohu, tak hybnost částice. I při absolutní nule by tedy částice vykazovaly nepatrné kmitání, tzv. nulové kmity. Tyto kvantové fluktuace zabraňují tomu, aby se látka v absolutní nule chovala zcela staticky. Kvantové jevy při teplotách blízkých absolutní nule mají fascinující důsledky. Například některé materiály se stávají supravodivými a vedou elektrický proud bez odporu. Jiné materiály se zase stávají supratekutými a tečou bez vnitřního tření.

Využití v technologiích

Ačkoliv dosažení absolutní nuly je v praxi nedosažitelné, studium chování látek při extrémně nízkých teplotách má obrovský dopad na technologický pokrok. Při teplotách blízkých absolutní nule, kde se tepelný pohyb atomů a molekul téměř zastavuje, pozorujeme fascinující jevy, které nacházejí uplatnění v moderních technologiích. Jedním z nejznámějších příkladů je supravodivost. Při teplotách blízkých absolutní nule některé materiály ztrácejí svůj elektrický odpor a stávají se supravodiči. Supravodiče umožňují přenos elektrické energie bez ztrát, což otevírá dveře k revoluci v energetice a elektronice. Další oblastí, kde se poznatky o extrémně nízkých teplotách uplatňují, je vývoj laserů. Extrémní ochlazení umožňuje dosáhnout vysoké přesnosti a stability laserových systémů, což je klíčové pro aplikace v telekomunikacích, medicíně a dalších oborech.

Budoucnost výzkumu

Studium extrémně nízkých teplot, blízkých absolutní nule (-273,15 °C), je oknem do fascinujícího světa kvantové mechaniky. Při těchto teplotách se hmota chová zcela odlišně a otevírá se tak prostor pro nové technologie a pochopení vesmíru. Absolutní nula, teplota, při které se zastavuje veškerý tepelný pohyb, je nedosažitelná. Vědci se k ní ale dokáží přiblížit na miliontiny stupně nad touto hranicí. Budoucí výzkum v oblasti nízkých teplot slibuje vývoj nových materiálů s unikátními vlastnostmi, jako je supravodivost, a pokrok v kvantových počítačích. Tyto technologie by mohly způsobit revoluci v energetice, dopravě a medicíně. Studium chování hmoty při teplotách blízkých absolutní nule nám také pomáhá lépe porozumět procesům ve vesmíru, například chování neutronových hvězd.

Zajímavosti

Absolutní nula, fascinující bod na teplotní škále, představuje teplotu -273,15 °C, tedy 0 Kelvinů. Při této teplotě se teoreticky zastavuje veškerý tepelný pohyb částic, což znamená, že atomy a molekuly by se nacházely ve stavu nejnižší možné energie. Ačkoliv dosažení absolutní nuly je v praxi nemožné, vědci se k ní dokázali přiblížit na neuvěřitelně malou vzdálenost. Zajímavostí je, že i při teplotách velmi blízkých absolutní nule si některé látky zachovávají neobvyklé vlastnosti, jako je supravodivost, kdy elektrický proud prochází materiálem bez jakéhokoli odporu. Studium chování hmoty při extrémně nízkých teplotách tak otevírá dveře k fascinujícím objevům a potenciálním technologickým aplikacím v budoucnosti.