Od apsolutne nule do Planck-ove temperature

Šta je apsolutna nula?

Svjetlost može biti zaslijepljujuće blještava, a zvuk zaglušujuće jak. Ali ništa ne može biti tamnije od mraka niti tiše od tišine. Slično tome, dok temperatura zvijezda može iznositi i milijarde stepeni Celzijusa (C), postoji temperatura ispod koje svemir ne može ići (tzv. apsolutna nula, ultimativna hladnoća).

Tek u 19 vijeku došlo se do značajnijeg napretka u objašnjenju toplote (i apsolutne nule), a uporedo sa tim, otkrivene su nebrojene zanimljive stvari, jedan opšti red u svemiru, razvijena mnoga inžinjerska čuda i, generalno, poboljšan naučni uvid u stanje same materije. Do tada se, recimo, smatralo da je toplota neka vrsta fluida, i da je hladnoća uzrokovana prisustvom tajnovitih “hladnih atoma”.

Rani termometri su koristili alkohol, zrak i vodu, ali bilo ih je teško kalibrisati jer nije bilo sasvim jasno koji daje najtačnije rezultate (pretpostavljali su zračni). Vladala je opšta konfuzija u vezi toplote.

Tek 1865. godine, nakon izdavanja knjige Toplota: način kretanja (John Tyndall) postalo je opšte-prihvaćeno mišljenje da toplota ustvari predstavlja kinetičku energiju atoma, i da je temperatura mjera brzine kojom se atomi kreću, tj. kvadrata srednje molekularne brzine. Npr. pri sobnim temperaturama atomi se kreću brzinom mlaznih aviona.

Jednom kada je ovo postalo jasno, bilo je lakše definisati apsolutnu nulu: najniža moguća temperatura na kojoj potpuno prestaje kretanje atoma, tj. termodinamički sistem je na najnižem mogućem nivou – posjeduje najnižu energiju. Apsolutna nula iznosi −273,15°C ili 0 Kelvina.

U termodinamici se koriste najčešće Kelvini kao usvojena jedinica temperature, a Celzijusi i Fahrenheiti selektivno, od zemlje do zemlje. Nulta temp. Celzijusa (273,15 K) je uzeta kao temperatura pri kojoj se voda pretvara u led, a 100°C (373,15 K) je temperatura pri kojoj voda ključa. Što se tiče Fahrenheita, nulta temp. F je uzeta kao temperatura zamrzavanja slane vode (Daniel Fahrenheit je uzeo zamrznutu slanu vodu kao referencu jer je to najniža temperatura koju je mogao postići). Voda se ledi na 32° F, a ključa na 212° F.

Gdje je najhladnije mjesto u svemiru?

Najniža temperatura u svemiru nije na Mjesecu gdje je izmjereno 45K, niti u svemiru gdje je prosječna temperatura između 2-3K, niti u Bumerang maglini sa svojih 1K (istina, ovo je najhladnije “prirodno” mjesto u univerzumu).

Boomerang maglina (negdje se spominje i naziv maglina Leptir-kravata) je protoplanetarna maglina udaljena 5000 svjetlosnih godina od Zemlje u pravcu sazviježđa Kentaur

Najniža temperatura u svemiru je izmjerena na Zemlji! U laboratoriji Wolfganga Ketterlesa u Massachusetsu (MIT). On je, u potrazi za Bose-Einstein kondenzatom, 2003. godine postigao temperaturu od 500 pikokelvina (0,5×10^-9 K), pozicionirajući sićušni oblak molekula natrijuma između magneta (tzv. gravito-magnetna zamka).

Einstein i Bose su, naime, još 1925. godine predvidjeli da se snižavanjem temperature atoma na temperaturu blisku apsolutnoj nuli pokazuju makroskopski kvantni fenomeni – npr. superfluidnost (gdje je viskoznost fluida praktično nula) i superprovodljivost (gdje njihova električna otpornost pada praktično na nulu).Naime, tek pri ovim ekstremno niskim temperaturama (kada se kretanje atoma značajno uspori – atomi se npr. kreću toliko malim brzinama da im je potrebno pola minute da se pokrenu za 1cm) možemo vidjeti fantastičnu prirodu atoma. Osobine kao što su  superfluidnost i superprovodljivost možemo nazvati nevjerovatnim, ali ustvari one su potpuno obične, samo mi nismo svjesni koliko je obična materija zanimljiva.

Istina je, naime, da živimo u svijetu u kojem vladaju zakoni kvantne mehanike – zakoni Newtona i Lagrangea kojim “opisujemo” naš svijet samo su aproksimacije, a hlađenje neke supstance otkriva nam upravo kvantno-mehaničku prirodu materije oko nas.

Zašto ne možemo ohladiti tijelo do kraja, na apsolutnu nulu? To pitanje je i osnova trećeg zakona termodinamike. Ako npr. pogledamo frižider, u njemu se hrana rashlađuje tako što je u kontaktu sa hladnijom supstancom, obično cirkulirajućim fluidom. Fluid, dakle, mora uvijek biti hladniji od hrane da bi se ona ohladila. Po istom principu, da bi ohladili neko tijelo na apsolutnu nulu, to tijelo mora biti u kontaktu sa supstancom koja je hladnija od apsolutne nule (0 K), što je besmisleno – nemoguće je, naime, da se atomi kreću sporije od mirovanja!

I dok sve više i više hladimo materiju, treba napomenuti da ne bi trebali gledati na razliku između 1 K i apsolutne nule kao razliku od jednog Kelvina već npr. kao na razliku od 1000 puta između 1 K i 1 mK (miliKelvina). Naime, hlađenjem u ovom opsegu, nailazimo na razlike u osobinama materije kao i u slučaju kada se temperatura mijenja od 1 K do 1000 K. Za svako desetostruko smanjenje temperature, dobijamo novi uvid u stanje materije. Tako čak i pri 1 nanoKelvinu postoji dosta prostora za dalje hlađenje – na pikoKelvine, femtoKelvine i dalje. Ko zna šta nas sve tamo čeka?!

Koje je najtoplije mjesto u svemiru?

Savremeni modeli kozmologije pretpostavljaju da je najviša moguća temperatura – tzv. Planck-ova temperatura, koja ima vrijednost oko 1,4×10³² K, ili 142000 milijardi milijardi milijardi Kelvina. Iznad ove temperature 10³² K, energija čestica postaje toliko velika da gravitacijske sile između njih postaju jake kao i druge fundamentalne sile i one postaju jedna unificirana sila. Ne postoji naučna teorija koja objašnjava ponašanje materije pri tim energijama. Za to nam je potrebna kvantna teorija gravitacije koju još nismo otkrili.

Model nastanka svemira koji se temelji na teoriji Big Bang pretpostavlja da je svemir prošao kroz ove temperature oko 10^-42 sekundi nakon Velikog praska, kao rezultat ogromne ekspanzije.

Najveća temperatura koju je postigao čovjek je temperatura od 5,5×10¹² K (quark-gluon plazma, koja se nakon Velikog praska i kondenzacije pretvorila u protone i neutrone), i to u LHC (Large Hadron Collider) postrojenju (sudarima jona olova pri brzinama bliskim brzini svjetlosti), što je za oko 367 hiljada puta veća temperatura nego temperatura u centru Sunca.

Najveće “prirodne” temperature u svemiru se javljaju unutar tek formiranih neutronskih zvijezda, reda oko milijardu kelvina (10⁹ K). Potom, tu su temperature eksplozije Supernove, reda oko 50 miliona kelvina (10⁶ K), zatim tu su temperature u centru zvijezda kao što je Sunce, reda 15 miliona kelvina, itd.

Zanimljivo je da čovjek živi i opstaje u relativno uskom rasponu temperatura, i navedene ekstremne temperature u univerzumu su toliko apstraktne da ih ne možemo ni zamisliti. Možda se tome najviše približe ljudi koji su članovi kluba 300.

Šta je klub 300?

Klub 300 je naziv za one koji su izdržali raspon temperature od 300° F (166° C) u vrlo kratkom vremenskom periodu. Praksa je nastala na Amundsen-Scott stanici na Južnom polu, na Antarktici.

Sudionici (kluba 300) čekaju dan kada temperatura padne na čak -100° F (-73° C), obično zimi. Oni koji sudjeluju prvo se griju u sauni na 200° F (93° C) nekih 10 minuta. Onda počnu trčati goli do geografskog Južnog pola, na temperaturi od -100° F (-73° C). Nakon toga, trče nazad u saunu da se ugriju, često i uz pomoć alkoholnih pića.

Jedan od pripadnika kluba 300 u akciji (Image credit: Dave Thelander)

Oni koji izdrže ovakve temperaturne razlike ulaze s pravom u klub 300.

Umjesto zaključka

Na zanimljivoj slici dole (“Milijardu stepeni separacije”) prikazane su vizuelno temperature našeg svemira, sa skalama i objašnjenjima gdje je određena temperatura izmjerena.

Zanimljivo je da u slučaju živih bića postoji životinja koja može preživjeti -273° C ali i temperaturu od 150° C. To su Vodeni medvjedi ili Dugoživci (Tardigrada), i poznati su po svojoj izdržljivosti. Naime, oni mogu izdržati pritiske i do 6 puta veće nego one koji postoje na najvećim okeanskim dubinama, jonizirajuće zračenje u dozama stotinu puta jače nego što je letalna doza za čovjeka i vakuum svemira. Takođe, mogu bez hrane i vode izdržati više od 30 dana.

Milijardu stepeni separacije (Image credit: BBC Science)

Svemir je zastrašujući, ali možemo naći utjehu u tome da imamo našu oazu (Zemlju). Čuvajmo je!

Literatura i korisne reference:

1. Michael A. Seeds, Dana Backman: Foundations of Astronomy, 12th Edition, Brooks Cole; 12th edition (January 1, 2012).
2. Neil deGrasse Tyson , Michael A. Strauss, J. Richard Gott: Welcome to the Universe – An Astrophysical Tour, Princeton University Press (September 20, 2016).
3. Nothing: From Absolute Zero to Cosmic Oblivion, Amazing Insights into Nothingness, New Scientist, Profile Books Ltd (7 Nov. 2013).
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Tardigrade
5. https://futurism.com/coldest-hottest-temperatures-known-universe-infographic/
6. Wikipedia, https://www.wikipedia.org/