تويت
ما هو الصفر المطلق
عادةً ما يصر علماء معظم العلوم التطبيقية أنه لا يوجد شيءٌ مطلقٌ ويصرون على نسبية المفاهيم حسب الأنظمة المدروسة ولكن ما الذي دفع علماء الفيزياء عمومًا وعلماء الترموديناميك خصوصًا لتعريف درجة حرارة الصفر المطلق وهل يمكن أن نصل لهذه الدرجة من البرودة في الواقع أو في المختبرات حتى؟ فلنتابع القراءة.
التعريف
يعرف الصفر المطلق Absolute zero بأنه درجة الحرارة التي يمتلك فيها أي نظامٍ ترموديناميكي أقل مستوى من الطاقة ويوافق الصفر(صفر كلفن) المطلق درجة -273.15 درجة مئوية على سلم سيليسيوس و -459.67 درجة على سلم فهرنهايت.
اقترحت فكرة وجودة الصفر المطلق عند دراسة سلوك الغازات في الضغوط المنخفضة حيث لاحظ الفيزيائيون أن الغازات تتقلص بدرجةٍ لا متناهية في الصغر مع انخفاض درجة الحرارة.
لذلك افترض الفيزيائيون أن الغاز المثالي ideal gas يمكن أن يسعى حجمه نحو الصفر عندما تسعى درجة الحرارة نحو الصفر الملطق وتكون قيمة الضغط ثابتةً.
في الحقيقة ورغم أن الغازات الحقيقية لا تفعل ذلك بل تتجمد أو تتحول لسائلٍ قبل الوصول للصفر المطلق، إلا أن مفهوم الصِفر المطلق هامٌ جدًا في الفيزياء.
هل يمكن الوصول لدرجة حرارة الصفر المطلق
بعد معرفتنا لتعريف الصِفر المطلق ربما من البديهي أن يكون سؤالنا الأول هل يمكن الوصول لهذه الدرجة من الحرارة؟!.
في الحقيقة حتى الآن لم يتمكن أحدٌ من تحقيق درجة حرارة الصِفر المطلق ولكن هناك العديد من المحاولات المخبرية للوصول إليها حيث تمكن المخبر الوطني للمعايرة والتكنولوجيا The National Institute of Standards and Technology في الولايات المتحدة NIST من تسجيل درجة حرارة تصل حتى 700 نانو كلفن (سبعمائة جزء من المليار من الكلفن) عام 1994.
كما حقق باحثون في معهد ماستشوتس للتكنولوجيا Massachusetts Institute of Technology MIT درجة حرارةٍ وصلت حتى 0.45 نانو كلفن عام 2003 وهي أقرب قيمة مخبرية للصفر المطلق.
لكن ماذا لو بردنا مادة ما حتى درجة الصفر المطلق
حسنًا في الحقيقة لا يوجد في الكون الذي نعرفه أي مكانٍ تصل حراراته حتى الصِفر المطلق فدرجة حرارة الفضاء الخارجي على سبيل المثال تبلغ ثلاث درجات كلفن أي أكبر بثلاث درجاتٍ من الصفر المطلق كما أن أكثر منطقة باردة معروفة في الكون (تسمى سديم بوميرانغ The Boomerang Nebula) تبلغ درجة الحرارة فيها درجة كلفن واحدة.
ولنفهم ماذا يعني ذلك دعونا نفترض الحالة التالية: لنفرض أن درجة حرارة الذرة وصلت حتى الصِفر المطلق هذا يعني أنها توقفت تمامًا عن الحركة أي أننا نعرف تمامًا قيمة سرعتها وهي صفر وبالتالي وحسب هايزنبرغ فنحن لا نعرف شيئًا عن موقعها ومكانها!
لذلك يعتقد العلماء أن حرارة المادة لا يمكن أن تصل حتى الصِفر المطلق ويعللون ذلك بالطبيعة الكمومية للمادة وبمبدأ عدم التعيين لهايزنبرغ Heisenberg's uncertainty principle والذي ينص على"لا يمكننا أبدًا معرفة موقع وسرعة الذرة في نفس اللحظة وبدقةٍ، فكلما حددنا الموقع بدقةٍ كلما كانت معلوماتنا عن السرعة غير دقيقةٍ والعكس صحيح".
من ناحيةٍ أخرى لو أن بلغت الصفر المطلق فإن معنى هذا أن تابعها الموجي انتشر عبر الكون بأكمله ولم يعد للذرة وجود من الناحية الفيزيائية، هذا مستحيل.
في تجربةٍ أجراها فريقٌ من الفيزيائيين في جامعة هلنسكي للتكنولوجيا في فلندا the Helsinki University of Technology ، وجدوا أنه وبالرغم من تبريد بعض المواد حتى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق لا تزال ذراتها تهتز وتتحرك ولم تتوقف عن الحركة.
أخيرًا ربما يظل هذا السؤال معلقًا طالما لم نصل حتى الصفر المطلق لنجرب ونشاهد ماذا سيحدث؟
قواعد ميكانيك الكم تظهر عند الاقتراب من الصفر المطلق
نحن نعلم تمامًا أن الحرارة تنتج من تصادم الذرات والجزيئات مع بعضها البعض ولكن هذا صحيح عند درجات الحرارة العادية ولكن مع اقتراب المادة من الصفر المطلق هل يظل هذا محققًا؟
لاحظ العلماء أن قواعد ميكانيك الكم هي التي تحكم الذرات وحركتها عند درجات الحرارة القريبة من الصفر المطلق حيث لا يعود التصادم بين الذرات والجزيئات تصادمًا عاديًّا بل يصبح عبر التوابع الموجية الكمية للذرات التي قد تتباعد أو تنكمش.
كما لاحظ العلماء أنه عند درجات الحرارة القريبة من الصِفر المطلق تتكاثف الذرات مع بعضها لتتصرف كأنها ذرةٌ واحدةٌ super atom وهو ما يعرف بتكاثف بوز آينشتاين Bose-Einstein condensate
عادةً ما يصر علماء معظم العلوم التطبيقية أنه لا يوجد شيءٌ مطلقٌ ويصرون على نسبية المفاهيم حسب الأنظمة المدروسة ولكن ما الذي دفع علماء الفيزياء عمومًا وعلماء الترموديناميك خصوصًا لتعريف درجة حرارة الصفر المطلق وهل يمكن أن نصل لهذه الدرجة من البرودة في الواقع أو في المختبرات حتى؟ فلنتابع القراءة.
التعريف
يعرف الصفر المطلق Absolute zero بأنه درجة الحرارة التي يمتلك فيها أي نظامٍ ترموديناميكي أقل مستوى من الطاقة ويوافق الصفر(صفر كلفن) المطلق درجة -273.15 درجة مئوية على سلم سيليسيوس و -459.67 درجة على سلم فهرنهايت.
اقترحت فكرة وجودة الصفر المطلق عند دراسة سلوك الغازات في الضغوط المنخفضة حيث لاحظ الفيزيائيون أن الغازات تتقلص بدرجةٍ لا متناهية في الصغر مع انخفاض درجة الحرارة.
لذلك افترض الفيزيائيون أن الغاز المثالي ideal gas يمكن أن يسعى حجمه نحو الصفر عندما تسعى درجة الحرارة نحو الصفر الملطق وتكون قيمة الضغط ثابتةً.
في الحقيقة ورغم أن الغازات الحقيقية لا تفعل ذلك بل تتجمد أو تتحول لسائلٍ قبل الوصول للصفر المطلق، إلا أن مفهوم الصِفر المطلق هامٌ جدًا في الفيزياء.
هل يمكن الوصول لدرجة حرارة الصفر المطلق
بعد معرفتنا لتعريف الصِفر المطلق ربما من البديهي أن يكون سؤالنا الأول هل يمكن الوصول لهذه الدرجة من الحرارة؟!.
في الحقيقة حتى الآن لم يتمكن أحدٌ من تحقيق درجة حرارة الصِفر المطلق ولكن هناك العديد من المحاولات المخبرية للوصول إليها حيث تمكن المخبر الوطني للمعايرة والتكنولوجيا The National Institute of Standards and Technology في الولايات المتحدة NIST من تسجيل درجة حرارة تصل حتى 700 نانو كلفن (سبعمائة جزء من المليار من الكلفن) عام 1994.
كما حقق باحثون في معهد ماستشوتس للتكنولوجيا Massachusetts Institute of Technology MIT درجة حرارةٍ وصلت حتى 0.45 نانو كلفن عام 2003 وهي أقرب قيمة مخبرية للصفر المطلق.
لكن ماذا لو بردنا مادة ما حتى درجة الصفر المطلق
حسنًا في الحقيقة لا يوجد في الكون الذي نعرفه أي مكانٍ تصل حراراته حتى الصِفر المطلق فدرجة حرارة الفضاء الخارجي على سبيل المثال تبلغ ثلاث درجات كلفن أي أكبر بثلاث درجاتٍ من الصفر المطلق كما أن أكثر منطقة باردة معروفة في الكون (تسمى سديم بوميرانغ The Boomerang Nebula) تبلغ درجة الحرارة فيها درجة كلفن واحدة.
ولنفهم ماذا يعني ذلك دعونا نفترض الحالة التالية: لنفرض أن درجة حرارة الذرة وصلت حتى الصِفر المطلق هذا يعني أنها توقفت تمامًا عن الحركة أي أننا نعرف تمامًا قيمة سرعتها وهي صفر وبالتالي وحسب هايزنبرغ فنحن لا نعرف شيئًا عن موقعها ومكانها!
لذلك يعتقد العلماء أن حرارة المادة لا يمكن أن تصل حتى الصِفر المطلق ويعللون ذلك بالطبيعة الكمومية للمادة وبمبدأ عدم التعيين لهايزنبرغ Heisenberg's uncertainty principle والذي ينص على"لا يمكننا أبدًا معرفة موقع وسرعة الذرة في نفس اللحظة وبدقةٍ، فكلما حددنا الموقع بدقةٍ كلما كانت معلوماتنا عن السرعة غير دقيقةٍ والعكس صحيح".
من ناحيةٍ أخرى لو أن بلغت الصفر المطلق فإن معنى هذا أن تابعها الموجي انتشر عبر الكون بأكمله ولم يعد للذرة وجود من الناحية الفيزيائية، هذا مستحيل.
في تجربةٍ أجراها فريقٌ من الفيزيائيين في جامعة هلنسكي للتكنولوجيا في فلندا the Helsinki University of Technology ، وجدوا أنه وبالرغم من تبريد بعض المواد حتى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق لا تزال ذراتها تهتز وتتحرك ولم تتوقف عن الحركة.
أخيرًا ربما يظل هذا السؤال معلقًا طالما لم نصل حتى الصفر المطلق لنجرب ونشاهد ماذا سيحدث؟
قواعد ميكانيك الكم تظهر عند الاقتراب من الصفر المطلق
نحن نعلم تمامًا أن الحرارة تنتج من تصادم الذرات والجزيئات مع بعضها البعض ولكن هذا صحيح عند درجات الحرارة العادية ولكن مع اقتراب المادة من الصفر المطلق هل يظل هذا محققًا؟
لاحظ العلماء أن قواعد ميكانيك الكم هي التي تحكم الذرات وحركتها عند درجات الحرارة القريبة من الصفر المطلق حيث لا يعود التصادم بين الذرات والجزيئات تصادمًا عاديًّا بل يصبح عبر التوابع الموجية الكمية للذرات التي قد تتباعد أو تنكمش.
كما لاحظ العلماء أنه عند درجات الحرارة القريبة من الصِفر المطلق تتكاثف الذرات مع بعضها لتتصرف كأنها ذرةٌ واحدةٌ super atom وهو ما يعرف بتكاثف بوز آينشتاين Bose-Einstein condensate