Simulare a condensatului Bose-Einstein (materia la aproape zero absolut)
Cea mai scăzută temperatură înregistrată pe Pământ este de -89,2°C, identificată de o stație meteo rusească în Vostok (Antarctica) în 1983. Dar la 10.000 de metri, altitudinea la care zboară în mod normal avioanele de pasageri, atmosfera terestră este rarefiată, iar termometrul consemnează o temperatură în jur de -75°C.
Dacă am părăsi Terra și ajungem în spaţiul interstelar, unde nu vom mai găsi cine știe ce materie, am observa că temperatura de acolo este foarte mică, de -270,3°C; iar dacă am ajunge într-o zonă numită Boomerang Nebula (aflată la 5 mii de ani-lumină de Pământ), am ajunge în cel mai friguros loc al universului cunoscut, foarte aproape de zero absolut.
Dacă vorbim de temperaturi înalte, e interesant de amintit că temperatura Soarelui este de circa 15 milioane grade Celsius. Dar pe Terra s-a obținut o temperatură mult mai ridicată, de circa 5,5 trilioane grade Celsius, în cadrul Marelui Accelerator de particule (LHC) de la Cern, Elveția, temperatură rezultată în urma coliziunii de ioni de plumb.
Pentru a clarifica lucrurile de la început, trebuie spus că dacă în ce privește temperaturi înalte nu putem stabili o limită, în ce privește temperaturi scăzute, lucrurile sunt clare: cea mai mică temperatură teoretică posibilă este de -273°C și se numește zero absolut.
• Dar ce dă lumii... temperatura?
Temperatura reprezintă cantitatea de energie termică a unui material, măsura energiei cinetice medii a acestuia rezultate din mişcarea atomilor şi moleculelor constituente. Atunci când măsurăm temperatura, în fapt înregistrăm energia cinetică medie a particulelor ce constituie lucrul măsurat.
Căldura se referă la mişcarea energiei termice dintr-un loc în altul ori, mai tehnic spus, schimbul energiei interne (energie asociată mişcării particulelor) dintre sistemele implicate în schimbul de căldură. Căldura are tendinţa de a se muta dintr-un un loc mai cald către unul mai rece.
Cu cât este mai mare agitaţia termică (vibraţia şi mişcarea liniară a particulelor), cu atât este mai ridicată temperatura.
• Ce este zero absolut?
Kelvin (William Thomson) este cel care a propus ideea modernă a lui zero absolut. Acesta şi-a bazat cercetările pe observaţiile fizicianului francez Jacques-Alexandre-Cesar Charles. Charles a văzut că un gaz la 0°C mai poate fi răcit; pentru fiecare grad cu care este răcit, volumul acestuia scade cu 1/273 din volumul total. Kelvin a propus următoarea idee: temperatura unui gaz este reflecţia energiei cinetice a particulelor acestuia. Odată cu temperatura, descreşte şi agitaţia atomilor, care se mişcă din ce în ce mai încet, la -273 K rămânând practic fără energie, iar gazul va ajunge să aibă volum 0.
• De ce nu avem zero absolut nici măcar în spaţiu?
Pentru că există ceea ce se numește „radiația cosmică de fond”, fotoni generați după nașterea universului (Big Bang) și care sunt prezenți în tot universul; această radiație cosmică de fond este responsabilă de acea temperatură de -270,3°C, amintită mai sus, din spațiul interstelar.
Harta radiaţiei cosmice de fond
• E posibil de atins zero absolut?
Se consideră, în genere, că zero absolut este imposibil de atins. Întrucât schimbul de temperatură în natură se face de la cald la frig, de ce devin mai reci atomii, de aceea căldura din vecinătate este atrasă de zona rece.
O altă dificultate este chiar actul măsurării lui zero absolut, pentru că odată intrat în contact cu lucrul măsurat, între termometru şi lucru are loc un schimb termic ce face imposibilă o măsurătoare corectă.
• Ce se întâmplă cu materia la valori apropiate de zero absolut?
Pe de altă parte, trebuie spus că la temperaturi foarte scăzute apar comportări stranii ale materiei. Fenomene ca superconductivitatea ori efecte descrise de mecanica cuantică afectează mişcarea şi starea atomilor, fizicienii nefiind încă lămuriţi referitor la toate bizareriile lumii subatomice la temperaturi foarte mici.
La temperaturi foarte apropiate de zero absolut, majoritatea atomilor ajung în aceeaşi stare cuantică, cu nivele de energie foarte mici. Această stare a materiei este diferită de orice este întâlnit în natură în mod obişnuit, atomii ajungând la o stare de agregare care îi face să se comporte la unison. Aceştia par a-şi pierde individualitatea, ocupând acelaşi spaţiu comun, devenind indivizibili ori, după cum afirmă unii fizicieni, un superatom.
O simulare a comportamentului materiei la valori apropiate de zero absolut puteți vedea în prima imagine din articol, condensatul Bose-Einstein; ideea a venit în urma colaborării dintre Satyendranath Bose, fizician de origine indiană, și celebrul Albert Einstein. Condensatul Bose-Einstein a fost obţinut în condiții de laborator abia în 1995, în SUA, Colorado, de către cercetătorii Eric Cornell şi Carl Wieman.
În concluzie, există o limită inferioară (dar nu superioară) a temperaturii materiei, pentru că limita inferioară reprezintă practic încetarea mișcării componentelor materiei (iar temperatura este tocmai măsura mișcării / agitației acestor componente).
