Čo je to absolútna nula?

Absolútna nula je začiatok termodynamickej (Kelvinovej) teplotnej stupnice. Látka by pri nej bola v základnom stave, teda v stave s najnižšou energiou, akú pripúšťa kvantová mechanika. Vedci sa k nej v laboratóriách priblížili na menej ako miliardtinu kelvina, samotnú nulu však podľa tretieho zákona termodynamiky dosiahnuť nemožno.

Koľko je absolútna nula v kelvinoch, °C a °F

• 0 K (nula kelvinov)
• −273,15 °C
• −459,67 °F

Kelvin a stupeň Celzia sú rovnako veľké jednotky, Celziova stupnica je len posunutá: t (°C) = T (K) − 273,15. Hodnota −273,15 °C je preto presná – vyplýva priamo z definície Celziovej teploty. Prevod na stupne Fahrenheita: −273,15 × 1,8 + 32 = −459,67 °F.

Kelvin sa píše bez znaku stupňa: správne je 0 K, nie 0 °K, a číta sa „nula kelvinov“. Názov kelvin a značku K namiesto staršieho „stupeň Kelvina“ (°K) zaviedla Generálna konferencia pre miery a váhy v roku 1967.

Absolútnu teplotnú stupnicu, ktorá nezávisí od vlastností konkrétnej látky, navrhol v roku 1848 britský fyzik William Thomson, neskorší lord Kelvin. Od 20. mája 2019 je kelvin definovaný pevnou hodnotou Boltzmannovej konštanty k = 1,380 649 × 10⁻²³ J/K; predtým ho určovala teplota trojného bodu vody.

Teploty blízko absolútnej nuly

Prečo sa absolútna nula nedá dosiahnuť

Podľa tretieho zákona termodynamiky nemožno absolútnu nulu dosiahnuť konečným počtom krokov ani za konečný čas (takzvaný princíp nedosiahnuteľnosti). Každý spôsob chladenia je pri nižších teplotách menej účinný, takže sa k nule dá len približovať. Všeobecný dôkaz tohto princípu, ktorý platí aj pre kvantové sústavy, publikovali v roku 2017 fyzici Lluís Masanes a Jonathan Oppenheim.

Najbližšie k nule sa dostávajú pokusy so zriedenými plynmi atómov. V roku 1995 v laboratóriu JILA v americkom Boulderi ochladili atómy rubídia pod 170 miliardtín kelvina – najprv laserom a potom „odparovaním“ najteplejších atómov z magnetickej pasce. Vznikol tak prvý Boseho-Einsteinov kondenzát; Eric Cornell, Carl Wieman a Wolfgang Ketterle za výskum týchto kondenzátov dostali Nobelovu cenu za fyziku za rok 2001. V roku 2021 nemecko-francúzsky tím, ktorý pracoval v Brémach v 110-metrovej veži na pokusy vo voľnom páde, dosiahol efektívnu teplotu 38 pikokelvinov (38 × 10⁻¹² K).

Častý omyl: pri absolútnej nule sa pohyb častíc nezastaví

V klasickej predstave je teplota plynu mierou strednej kinetickej energie neusporiadaného pohybu molekúl (pre ideálny plyn E = 3/2 · k · T). Keby to platilo bezvýhradne, pri T = 0 by molekuly stáli. Preto sa často píše, že sa pri absolútnej nule pohyb častíc úplne zastaví. Mikrosvet sa však riadi kvantovou mechanikou: podľa Heisenbergovho princípu neurčitosti nemôže mať častica súčasne presne určenú polohu aj hybnosť, a preto ani v najnižšom možnom stave nemá nulovú energiu. Tejto zvyškovej nulovej energii (energii základného stavu) zodpovedajú takzvané nulové kmity – atómy kmitajú aj pri 0 K a túto energiu im nemožno odobrať.

Dôsledky sa dajú pozorovať:

• Hélium pri atmosférickom tlaku nezamrzne pri nijakej teplote. Jeho atómy sú ľahké a priťahujú sa len slabo, takže nulové kmity im nedovolia usporiadať sa do kryštálu. Tuhé hélium vznikne až pri tlaku približne 25 barov.
• V roku 2025 tím vedený Tillom Jahnkem z Goetheho univerzity vo Frankfurte nad Mohanom prvýkrát priamo zobrazil nulové kmity atómov v molekule; výsledky uverejnil časopis Science.

Presnejšie je teda povedať, že by častice pri absolútnej nule mali najnižšiu možnú energiu – nie že by stáli.

Zdroje

• BIPM – rezolúcia č. 1 z 26. zasadnutia Generálnej konferencie pre miery a váhy (2018), nová definícia kelvina
• NIST SP 330 – vzťah Celziovej a termodynamickej teploty
• Oxford Sparks (Oxfordská univerzita) – Towards Absolute Zero
• HyperPhysics (Georgia State University) – nulová energia a hélium
• Masanes, Oppenheim – odvodenie tretieho zákona termodynamiky (arXiv)
• Physics World – rekordná teplota 38 pikokelvinov