Mutlak sıfır nedir, kaç dercedir? Mutlak sıfır ölçülebilir mi? Evrenin en soğuk yeri neresidir? Kaç derecedir? Mutlak sıfıra ulaşma çabaları..
Mutlak Sıfır
Mutlak sıfır; bir maddenin, atomlarının hareketinin duracağı kadar soğuk olduğu hayali bir noktadır. Mutlak sıfıra ne doğada ne de laboratuvarda ulaşılabilmiştir. Ama biliminsanları ona çok yakın sıcaklıklara inebilmiştir. Mutlak sıfıra ulaşmak imkânsız olabilir. Ulaşılsa bile bunu bilemeyebiliriz, çünkü onu ölçecek bir termometre yoktur.
Bir şeyin sıcaklığını ölçerken aslında ölçtüğümüz şey, onu oluşturan parçacıkların ortalama enerjisidir. Sıcaklık parçacıkların ne kadar hızlı titreştiğini ya da dolaştığını gösterir. Bir gazda ya da sıvıda moleküller her yöne gitmekte serbesttir ve sık sık birbirleriyle çarpışırlar. Dolayısıyla sıcaklık parçacıkların ortalama hızlarıyla ilgili bir şeydir. Katılarda atomlar, elektronik bağlarla bir arada tutulan ve legolara benzeyen kafes gibi bir yapıda sabittir. Isındığında atomların enerjisi artar ve bulundukları yerde, tıpkı jöle gibi daha çok titreşmeye başlarlar.
Bir madde soğutulduğunda atomlarının hareketi yavaşlar. Gazda hızları düşer; katıda titreşimleri azalır. Sıcaklık ne kadar düşerse, atomların hareketi de o kadar yavaşlar. Öyleyse belli bir noktada durmaları gerekir. Bu varsayımsal durma noktasına mutlak sıfır denir.
Kelvin Ölçeği
Mutlak sıfır fikri 18. yüzyılda sıcaklık ve enerjinin gösterildiği bir grafiğin sıfıra doğru uzatılmasıyla fark edilmiştir. Enerji sıcaklıkla birlikte artar. Bu iki niceliği birbirine bağlayan doğrusal grafik, enerjinin sıfırlandığı sıcaklığı bulmak için geriye doğru uzatılabilir. Böyle yapıldığında -273,15 derece Celsius’a ulaşılır.
On dokuzuncu yüzyılda Lord Kelvin mutlak sıfırdan başlayan yeni bir sıcaklık ölçeği önerdi. Kelvin’in ölçeği, aslında Celsius ölçeğinin yana kaydırılmışıydı. Celsius’ta su 0 derecede donarken Kelvin’de 273 derecede donar, Celsius’ta 100 derecede kaynarken Kelvin’de 373 derecede kaynar. Belli bir basınç ve sıcaklıkta, hem su hem buhar hem de buz aynı anda bulunabilir. “Suyun üçlü noktası” olarak bilinen bu sıcaklık 273,16 kelvin (0,01° Celsius) kabul edilmiştir. Kelvin ölçeği buna göre sabitlenmiştir. Günümüzde biliminsanlarının çoğu sıcaklık ölçümlerinde Kelvin ölçeğini kullanır.
Büyük donma Mutlak sıfırda nasıl bir soğukluk hissedilir?
Donma derecesinde veya kar başladığında havanın nasıl hissettirdiğini biliriz. Soluğumuz havada buğulaşır ve parmaklarımız hissizleşmeye başlar. Bu soğukluk çoğumuza yeter de artar. Kuzey Amerika’nın belli bölgelerinde ve Sibirya’da kışları hava sıcaklığı bu sıcaklığın da 10 ila 20 derece altına düşer. Güney Kutbu’nda -70 derece Celsius’a kadar inebilir. Dünya’da ölçülmüş en düşük sıcaklık 1983’te Antarktika’nın ortasındaki. Vostok’ta ölçülen -89 derece Celsius yani, 184 kelvindir.
Bumerang Nebulası – Evrenin en soğuk bölgesi
Sıcaklık dağa tırmanırken ya da uçakla yükselirken de düşer. Uzaya çıkılırsa, orası daha da soğuktur. Uzayın derinliklerinde, en boş olduğu bölgelerdeki atomların bile sıcaklığı mutlak sıfırdan birkaç, derece yukarıdadır. Şu ana değin Evren’de saptanan en soğuk bölge. Bumerang nebulasında mutlak sıfırın yalnızca bir derece üstünde olan karanlık bir gaz bulutudur.
Bu nebulanın dışında, bütün uzayda ortam sıcaklığı görece ılık; 2,7 kelvindir. Bu ılıklığın nedeni kozmik mikrodalga arkaplan ışımasıdır. Yani Büyük Patlama’dan kalan ve bütün uzayı kaplayan ısı. Bundan daha “soğuk olması için bu arkaplan sıcaklığının engellenmiş olması ve atomların kendilerinde arta kalan ısıyı da yitirmiş olması gerekir. Dolayısıyla pratik olarak uzayın herhangi bir bölgesinin mutlak sıfır sıcaklığında olması
düşünülemez.
İçerideki soğuk
Laboratuvar ortamında Evren’den bile daha düşük sıcaklıklara geçici olarak ulaşılmıştır. Birçok gazın”sıvılaştırılmış hali laboratuvarlarda soğutucu olarak kullanılır ama bunlar mutlak sıfırdan daha sıcaktır. Azotu 77 kelvine (-196° C) kadar soğutarak sıvı hale getirmek mümkündür. Sıvı azot, silindirler içinde kolayca taşınabilir. Hastanelerde biyolojik örnekleri saklamada, tüp bebek merkezlerinde donmuş embriyo ve sperm saklamada ve gelişmiş elektronik laboratuvarlarda kullanılır. Sıvı azota daldırılıp soğutulan (dondurulan) bir karanfil, öyle kırılgan bir hal alır ki yere düşerse tıpkı porselen gibi kırılır.
Sıvı helyum daha da soğuktur (4 kelvin) ama mutlak sıfırın yine oldukça üzerindedir. İki tip helyumu -helyum 3 ile helyum 4 ü- karıştırarak bir kelvinin binde biri düzeyine kadar inen bir karışım elde etmek mümkündür.
Daha da düşük sıcaklıklara inebilmek için fizikçiler daha akıllı teknolojilere ihtiyaç duyarlar. 1994’te Colorado eyaletindeki Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde çalışan biliminsanları, lazer kullanarak sezyum atomlarını mutlak sıfırın yalnızca bir kelvinin bir milyarda 700’ü üstüne kadar soğutmayı başardılar. Dokuz yıl sonra Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki biliminsanları daha da ileri gittiler ve mutlak sıfıra bir kelvinin milyarda 0,5’i kadar yaklaştılar.
Mutlak Sıfır Ölçülebilir Mi?
Gerçekte mutlak sıfır soyut bir düşüncedir. Ne doğada, ne de laboratuvarda ölçülebilmiştir. Ne kadar çalışırlarsa çalışsınlar, biliminsanları gerçekte mutlak sıfıra kesinlikle ulaşamayacaklarını bilirler.
Neden böyle olmak zorundadır? Çünkü her şeyden önce kendi sıcaklığı mutlak sıfır olmayan bir termometre ölçüm sırasında sistemi bozacaktır, ikinci olarak, böylesi düşük enerjilerde sıcaklık ölçümü yapmak başlı başına zordur, çünkü süper iletkenlik ve kuantum mekaniği gibi birtakım başka etkiler araya girer ve atomların hareketlerini ve hallerini etkiler. Dolayısıyla o sıcaklığa ulaşıp ulaşmadığımızdan hiçbir zaman emin olamayız. Mutlak sıfır için belki de “orada öyle bir yer yok” demek en doğrusudur.
