Is het absolute nulpunt haalbaar?

Is het mogelijk om het absolute nulpunt te bereiken?

Het absolute nulpunt is de laagst mogelijke theoretische temperatuur, die wetenschappers hebben gedefinieerd als min 459,67 graden Fahrenheit (min 273,15 graden Celsius). Dat is zelfs kouder dan de ruimte. Tot nu toe is er niets bekend dat het absolute nulpunt heeft bereikt. Maar is het eigenlijk mogelijk om deze ijzingwekkende mijlpaal te bereiken?

Om deze vraag te beantwoorden, moeten we begrijpen wat temperatuur eigenlijk is. We denken vaak aan temperatuur als hoe warm of koud iets is, maar het is eigenlijk een maat voor de energie of trillingen van alle deeltjes in een systeem. Hete objecten hebben meer energie, dus hun deeltjes kunnen sneller trillen. Het punt waarop de deeltjes helemaal geen energie meer hebben - en dus stoppen met bewegen - is wat wordt gedefinieerd als het absolute nulpunt.

Wetenschappers zijn geïnteresseerd in het bereiken van deze lage temperaturen omdat er nogal wat interessante kwantumeffecten optreden wanneer deeltjes worden vertraagd. Een fundamenteel principe in de kwantummechanica is golf-deeltje dualiteit - het fenomeen waarbij een deeltje zoals een foton van licht zich kan gedragen als een deeltje of als een golf. Bij het omgaan met kwantummechanische deeltjes is het belangrijk om hun "ononderscheidbaarheid" te onthouden - "het is niet mogelijk om de deeltjes of golven individueel te volgen zoals we kunnen met grotere objecten," vertelde Sankalpa Ghosh, een theoretisch gecondenseerdemateriefysicus aan het Indian Institute of Technology Delhi, aan Live Science in een e-mail. "De oorsprong hiervan kan worden herleid tot het beroemde Heisenberg-onzekerheidsprincipe dat de probabilistische aard van kwantummechanische metingen kwantificeert [wat betekent dat wanneer de positie van een deeltje nauwkeurig wordt gemeten, de impuls minder nauwkeurig bekend is, en vice versa]. Deze probabilistische aard geeft een golfachtig karakter aan een kwantummechanisch deeltje." De omvang van dit kwantumgolfachtige gedrag wordt uitgedrukt door de verhouding van de tussen-deeltjesafstanden in het systeem, bekend als de thermische de Broglie-golflengte. Bij normale temperaturen is dit kwantumgedrag verwaarloosbaar, maar vreemde effecten beginnen op te treden naarmate de deeltjes kouder worden.

Vroege ultrakoude experimenten in de jaren 1990 gebruikten een techniek die bekend staat als laserkoeling om deze effecten te onderzoeken. "Het licht oefent een kracht uit op de atomen die ze vertraagt tot redelijk koude temperaturen, rond 1 kelvin (min 272,15 C of min 457,87 F)," zei Christopher Foot, een ultrakoude fysicus aan de Universiteit van Oxford. "Dat is laag genoeg om kwantumgedrag te zien in vaste stoffen en vloeistoffen, maar voor de gassen die we bestuderen, hebben we temperaturen nodig van tientallen nanokelvin om deze kwantumeffecten te krijgen."

De laagste temperatuur ooit gemeten in een laboratorium werd bereikt door een groep in Duitsland in 2021. Het team liet gemagnetiseerde gasatomen vallen vanaf een 120 meter hoge toren, waarbij ze voortdurend het magnetische veld aan en uit schakelden om de deeltjes bijna volledig tot stilstand te brengen. In dit soort experiment, bekend als magnetische valkoeling, bereikten de gasdeeltjes een ongelooflijke 38 picokelvin - 38 biljoenste graad Celsius boven het absolute nulpunt en ruimschoots binnen het bereik om kwantumeffecten in gassen te gaan waarnemen.

Is er echter enig nut in het proberen materialen nog verder af te koelen? Waarschijnlijk niet, volgens Foot. "We zijn veel meer geïnteresseerd in deze kwantumeffecten dan in het bereiken van het absolute nulpunt," zei hij. "Met laser gekoelde atomen worden al gebruikt in de atoomnormen die universele tijd definiëren (atoomklokken) en in kwantumcomputers. Lagere-temperatuurwerk is nog steeds in de onderzoeksfase, en mensen gebruiken deze methoden om universele fysische theorieën te testen."

Op dit moment is het niet mogelijk om die laatste 38 biljoenste graad te koelen - en er zouden verschillende hindernissen moeten worden overwonnen om het werkelijkheid te laten worden. Sterker nog, zelfs als we het absolute nulpunt zouden bereiken, zouden we het misschien volledig missen vanwege onnauwkeurige meettechnieken. "Met de huidige instrumenten zou je niet kunnen zeggen of het nul was of gewoon een zeer, zeer klein getal," zei Foot. "Om het absolute nulpunt te meten, zou je eigenlijk een oneindig nauwkeurige thermometer nodig hebben, en dat is buiten onze huidige meetapparatuur."