الفيزياء مليئة بالأصفار، كتلة الضوء تساوي صفراً، شحنة النيوترونات تساوي صفراً، النقطة الرياضية لها طول صفري، درجة الحرارة لها مقياس الصفر أيضاً، لكن هل سمعت من قبل بدرجة حرارة الصفر المطلق؟
قد تكون هذه الأصفار غير مألوفة، لكنها تتبع منطقًا ثابتًا. كلها تمثل عدم وجود صفة معينة: الكتلة والشحنة الكهربائية والمسافة. ثم هناك حالة محيرة من الصفر المطلق.
نميل إلى التفكير في السخونة والباردة كأشياء نسبية. فنجان الشاي الذي مضى عليه ساعة، على سبيل المثال، يكون أكثر برودة من نار موقدك ولكنه أكثر سخونة من مكعب ثلج.
ما هو الصفر المطلق؟
يمثل الصفر المطلق أبرد درجة حرارة ممكنة، وهو ما يتحدى هذا النمط مقابل ذلك. والأغرب من ذلك، أن الصفر المطلق ليس حتى صفرًا في مقاييس درجة الحرارة التي يستخدمها غير العلماء.
إنه 273.15 درجة تحت الصفر على مقياس سيليزيوس، أو سالب 459.67 درجة فهرنهايت.
كيف يمكن أن يكون هناك أدنى درجة حرارة؟
المفتاح لفك تشفير الصفر المطلق هو فهم ما هي درجة الحرارة. إنه ببساطة مقياس لمدى سرعة حركة الذرات أو الجزيئات داخل مادة ما. أو، بشكل أكثر دقة، متوسط الطاقة الحركية لتلك الجسيمات.
فكر في الأمر على أنه لعبة كرة مراوغة ذرية. عندما تضربك الكرة، تشعر بطاقتها. تريليونات وتريليونات من ضربات كرة المراوغة هذه، التي تحدث على نطاق صغير غير مرئي، هي ما نعتبره درجة حرارة.
تضرب الذرات سريعة الحركة بشدة، ونشعر بارتفاع درجة الحرارة. عندما يلامس جسم ساخن جسمًا باردًا، فإن الذرات الأسرع والأكثر سخونة تنقل بعض سرعتها إلى الأبطأ والأبرد. يبرد الجسم الساخن. يصبح الجسم البارد أكثر دفئًا.
الآن أصبح الصفر في الصفر المطلق منطقيًا: الصفر المطلق هو درجة الحرارة التي تكون فيها الجسيمات في مادة ما بلا حراك بشكل أساسي.
لا توجد طريقة لإبطائها أكثر، لذا لا يمكن أن تنخفض درجة الحرارة. هل كل شيء يتوقف عن الحركة عند الصفر المطلق؟ ليس تماما.
الذرات ليست ساكنة تماما. تتمايل نتيجة التأثيرات المتعلقة بفيزياء الكم. وبالطبع يستمر النشاط داخل كل ذرة بغض النظر عن درجة برودة الجو. تستمر الإلكترونات في الحركة، مثلها مثل البروتونات والنيوترونات.
من اكتشف الصفر المطلق؟
اكتشف جويلاومي امونتونس (Guillaume Amontons)، المخترع الفرنسي الذي فقد سمعه في طفولته ولم يذهب إلى الكلية مطلقًا، المفهوم الأساسي في عام 1702.
أظهرت تجاربه أن ضغط الهواء يتناسب مع درجة الحرارة، واستنتج أن هناك درجة حرارة دنيا يمكن للضغط عندها تسقط إلى لا شيء. حتى أنه قام بتقدير درجة الحرارة هذه، ناقص 240 درجة مئوية. وهي قريبة بشكل ملحوظ من القيمة الفعلية.
في عام 1848، قام الفيزيائي الاسكتلندي-الأيرلندي ويليام طومسون، المعروف باسم اللورد كلفن، بتوسيع عمل أمونتون، وتطوير ما أسماه مقياس درجة الحرارة “المطلق” الذي يمكن تطبيقه على جميع المواد.
وضع الصفر المطلق على 0 على مقياسه، متخلصًا من الأعداد السالبة غير العملية. يعتمد الفيزيائيون الآن على مقياس كلفن (K) لقياسات درجة الحرارة.
إقرأ أيضاً… ما هي عملية الانشطار النووي؟ وكيف تتولد منها الطاقة؟
أين هو أبرد مكان في الكون؟
تعمل الطاقة المتبقية من الانفجار العظيم على تدفئة الكون بأسره، مما يبقيه فوق الصفر المطلق. يبلغ متوسط درجة حرارة الفضاء 2.74 كلفن، أو 454.7 درجة فهرنهايت تحت الصفر.
والمثير للدهشة أن بعض الأجرام السماوية أبرد من الفضاء الفارغ. سحابة غاز متوسعة تسمى سديم بوميرانغ تتصرف مثل ثلاجة بين النجوم.
تبلغ درجة حرارته حوالي 1 كلفن، وهو أبرد مكان يحدث بشكل طبيعي في الكون. لكن البشر أصبحوا أكثر برودة من ذلك هنا على الأرض.
في عام 2003، استخدم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أشعة الليزر لإبطاء ذرات الصوديوم، وتبريدها إلى نصف جزء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق. لا يزال هذا الرقم القياسي العالمي.
أبرد مكان خارج الأرض هو مكان اصطناعي أيضًا. في الصيف الماضي، قام رواد الفضاء بتنشيط تجربة تسمى Cold Atom Lab على متن محطة الفضاء الدولية.
حقق المختبر درجات حرارة أقل بـ 30 مليون مرة من المساحة الفارغة. يقول روبرت طومسون من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا، أحد الباحثين الذين ابتكروا التجربة: “لقد عملت على هذه الفكرة، بشكل متقطع، لأكثر من 20 عامًا”. “إنه شعور لا يصدق أن نشهدها وتعمل.”
ماذا يحدث عندما تصبح المادة باردة؟
إذا بدا طومسون متحمسًا، فذلك لأن الذرات شديدة البرودة تتصرف بطرق رائعة وربما مفيدة. لسبب واحد، أنهم يفقدون هوياتهم الفردية، يندمجون لتشكيل حالة غريبة من المادة تسمى حالة تكاثف بوز-آينشتاين.
يقول طومسون: “لدينا أناس يهدفون إلى استخدام المكثفات للقيام بأشياء عملية مثل تحسين الملاحة عبر الأقمار الصناعية، بينما يحاول آخرون اختبار النظريات الأساسية للفيزياء أو محاكاة فيزياء الكون المبكر”.
بالقرب من الصفر المطلق، من الممكن أيضًا معالجة التفاعلات الكيميائية بطرق مستحيلة في ظل ظروف أخرى. في الأعوام الماضية، قام الكيميائي من جامعة هارفارد Kang-Kuen Ni بتجميع جزيء مباشرة من ذرتين بطيئتي الحرارة منخفضتين الحركة، مما جعلها أصغر تجربة كيميائية تم إجراؤها على الإطلاق.
في ظل هذه الظروف، تصبح التأثيرات الدقيقة لفيزياء الكم واضحة للعيان. لكن في درجات الحرارة شديدة البرودة، يمكننا في الواقع أن نلاحظ الطبيعة الموجية للذرات والجزيئات.
بعد ذلك، يأمل Ni في استكشاف قواعد غير مكتشفة للكيمياء وتصميم جزيئات جديدة. تتضمن التطبيقات المحتملة الأخرى لتجارب الصفر المطلق أجهزة استشعار وساعات دقيقة – وربما حتى أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة القوة التي لا تزال شركات التكنولوجيا واعدة. في مجال الأبحاث شديدة البرودة، يمكنك القول أن القاع هو الحد الأقصى.