Kas vyksta medžiagai, kai ji pasiekia absoliutų nulį?

Ar įmanoma atšaldyti akmenį, dujas ar net visą laboratorijos sistemą taip, kad dalelės joje visiškai nustotų judėti? Intuityviai atrodo, kad temperatūrai leidžiantis vis žemyn, turėtų ateiti akimirka, kai gamta tiesiog paspaudžia pauzės mygtuką. Tačiau kvantiniame pasaulyje ši riba elgiasi kur kas keisčiau, nei sufleruoja kasdienė patirtis.

Riba, kurios laboratorijos nepasiekia

Absoliutus nulis žymi 0 kelvinų, arba –273,15 laipsnio Celsijaus. Tai žemiausia įmanoma temperatūros riba, apibūdinama ne vien kaip „labai šalta“, bet kaip ypatinga sistemos būsena, kurioje šiluminė energija pasiekia mažiausią galimą vertę.

Temperatūra fizikoje susijusi su dalelių energija ir jų pasiskirstymu. Šildant medžiagą, atomai ir molekulės vidutiniškai juda intensyviau, dažniau susiduria, o jų energija pasiskirsto tarp įvairių judėjimo ir sąveikos formų. Vėsinant šis chaotiškas aktyvumas mažėja.

Vis dėlto absoliutus nulis nėra dar viena temperatūra, kurią būtų galima pasiekti pakankamai galingu šaldytuvu. Jis veikiau primena gamtos horizontą. Pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį, sistemą galima be galo artinti prie 0 kelvinų, tačiau pasiekti šią ribą per baigtinį skaičių veiksmų neįmanoma. Kiekvienas papildomas temperatūros sumažinimas reikalauja vis daugiau pastangų ir vis mažesnio likusio šiluminės energijos kiekio pašalinimo.

Mokslininkai laboratorijose jau yra pasiekę temperatūrų, vos truputį aukštesnių už absoliutų nulį. Tam naudojami lazeriai, magnetiniai laukai, garinimas ir itin gerai izoliuotos vakuuminės kameros. Tačiau „beveik 0 kelvinų“ vis dar nėra tas pats, kas tiksliai 0 kelvinų.

Dalelės nenustoja judėti

Didžiausia klaida būtų įsivaizduoti, kad absoliutus nulis reiškia visišką nejudrumą. Net ir pačioje žemiausios energijos būsenoje dalelės negali tiesiog sustingti taip, kaip sustingsta laikrodis, išėmus bateriją.

Čia įsikiša kvantinė mechanika. Pagal Heizenbergo neapibrėžtumo principą neįmanoma vienu metu tiksliai žinoti dalelės padėties ir impulso. Jei atomą būtų bandoma visiškai „užrakinti“ vienoje vietoje ir atimti iš jo bet kokį judėjimą, tai prieštarautų pagrindiniams kvantinės fizikos dėsniams.

Todėl net absoliutaus nulio aplinkoje išlieka vadinamasis nulinio taško judėjimas. Tai nėra įprastas šiluminis virpėjimas, kylantis dėl temperatūros, o kvantinė liekamoji energija, kurios pašalinti neįmanoma. Kietajame kūne atomai vis dar virpa apie pusiausvyros padėtis. Jie ne juda chaotiškai dėl karščio, bet egzistuoja jų kvantinis judėjimas.

Panaši situacija susidaro ir atskiruose atomuose ar elektronuose. Jie gali būti pagrindinėje, mažiausios energijos būsenoje, tačiau ši būsena nėra absoliutus „nieko“. Kvantinis pasaulis neleidžia medžiagai pavirsti visiškai neaktyvia materijos skulptūra.

Medžiaga ima elgtis neįprastai

Artėjant prie absoliutaus nulio, įprastos medžiagos savybės gali dramatiškai pasikeisti. Šiluminis triukšmas, kuris aukštesnėje temperatūroje užgožia subtilius kvantinius reiškinius, beveik išnyksta. Tada išryškėja ne atskirų atomų, o visos sistemos elgesys.

Kai kurios medžiagos tampa superlaidžios. Jose elektros srovė gali tekėti be įprasto elektrinio pasipriešinimo, todėl energija neprarandama taip, kaip įprastuose laidininkuose. Kitos medžiagos virsta supertakiais – skysčiais, galinčiais tekėti beveik be klampos ir prasiskverbti pro itin siaurus plyšius.

Ypač įspūdingas reiškinys yra Bozės–Einšteino kondensatas. Pakankamai atšaldyti atomai susitelkia į vieną bendrą kvantinę būseną. Įprastomis sąlygomis kiekvienas atomas elgiasi kaip atskiras objektas, tačiau itin žemoje temperatūroje jų elgesys tampa kolektyvinis. Sistema pradeda priminti vieną milžinišką kvantinę dalelę.

Tai nereiškia, kad visa medžiaga staiga tampa vienoda ar praranda savo struktūrą. Greičiau keičiasi taisyklės, pagal kurias ją stebime. Makroskopiniame pasaulyje dalelės paprastai veikia tarsi daugybė atskirų veikėjų, o šaltame kvantiniame režime jos gali pradėti veikti kaip darnus ansamblis.

Kas nutiktų skirtingoms medžiagoms?

Atsakymas priklauso nuo medžiagos sandaros. Kietosios medžiagos beveik neišsiplečia, jų atomai išlieka kristalinėse gardelėse, tačiau virpesiai sumažėja iki kvantinės ribos. Kai kurie metalai pereina į superlaidžią būseną, o magnetinės medžiagos gali pakeisti savo magnetinę tvarką.

Dujos, pakankamai atšaldytos ir izoliuotos, praranda didžiąją dalį įprasto chaotiško judėjimo. Jei jų dalelės yra bozonai, gali susidaryti kondensatas. Fermionų – dalelių, tokių kaip elektronai ar kai kurie atomai – elgesį riboja kitas kvantinis principas, todėl jų sistemos gali formuoti sudėtingas kolektyvines būsenas.

Svarbu ir tai, kad absoliutus nulis nėra universali akimirka, kai visos medžiagos tampa vienodos. Kiekviena sistema turi savo pagrindinę būseną, priklausančią nuo atomų, ryšių, slėgio, magnetinių laukų ir kitų sąlygų. Vienai medžiagai svarbiausias reiškinys gali būti superlaidumas, kitai – magnetinės savybės ar naujas kvantinis fazinis virsmas.

Dėl šios priežasties itin žemos temperatūros nėra vien laboratorinis smalsumas. Jos leidžia tirti medžiagų elgesį tada, kai šiluma nebeslepia fundamentalių procesų. Tokie tyrimai padeda kurti jautresnius jutiklius, kvantinius kompiuterius ir naujas energijos perdavimo technologijas, nors daugelis jų dar tebėra eksperimentinėje stadijoje.

Absoliutus nulis išlieka ne pasiekta sustingimo būsena, o riba, prie kurios medžiaga vis labiau atsisako kasdienio elgesio. Šiluminis chaosas traukiasi, tačiau kvantinis judėjimas lieka – tarsi tylus priminimas, kad net šalčiausioje įmanomoje visatoje visiška ramybė nėra fizinė galimybė.