Günlük hayatımızın bu kadar içinde olmasına rağmen sıcaklık kavramı aslında oldukça kafa karıştırıcı. Kışın bizi üşüten soğuğu ve yazın içimizi ısıtan güneşi hayal etmek çok kolay, ama aslında günlük hayatımız mümkün olan sıcaklıkların çok dar bir aralığında geçiyor. O aralığın dışında ise her şeyin garipleştiği ekstrem sıcaklıklar ve soğukluklar yatıyor. Bu garipliklerden birisi de karşımıza mutlak sıfır kavramında çıkıyor. Yaşadığımız evreninin bazı limitleri vardır. Işık hızı ve mutlak sıfır bu limitler içinde en bilinenleridir.
Mutlak Sıfır Nedir?
Mutlak sıfırı anlamadan önce temel fizik ile ilgili bilgilerinizi tazelemelisiniz. Maddeyi oluşturan atomlar her zaman hareket halindedir. Sıcaklık, bu atomların kinetik enerjisini veya hareket enerjisini ölçer. Ne kadar hızlı hareket ederlerse, sıcaklıkları o kadar yüksek olur.
Tersine durumda da yani soğutulduklarında da moleküller yavaşlamaya başlar. Bu mantıkla belli bir noktada durmaları gerekir. İşte bu varsayımsal durma noktası “mutlak sıfır“‘dır. Bu termodinamik yasalarına göre teorik olarak ulaşabileceğimiz mümkün olan en düşük sıcaklıktır.
Mutlak sıfır denilen sıcaklık değeri -273,15 santigrat dereceye karşılık gelir. Teorik olarak bu sıcaklık değerine ulaşan bir maddenin enerjisi de sıfıra eşit olur. Yani molekülleri hareket edemeyecek duruma erişir. Bu noktadan sonra onu daha fazla soğutmak mümkün değildir.
Neden Kelvin Ölçeği Kullanıyoruz?
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 bulunur. “Suyun üçlü noktası” olarak bilinen bu sıcaklık 273,16 kelvin (0,01° Celsius) kabul edilmiş, Kelvin ölçeği buna göre sabitlenmiştir. ( Bu yazıya göz atabilirsiniz: Celsius, Fahrenheit, Kelvin: Hangisini Ne Zaman Kullanmalıyız?). Günümüzde bilim insanlarının çoğu sıcaklık ölçümlerinde negatif sayı barındırmaması nedeniyle Kelvin ölçeğini daha çok tercih ediyor.
Evrendeki En Soğuk Yer: Bumerang Nebulası
Sıcaklık yükseldikçe düşer. Ancak, 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. Laboratuvar ortamında Evren’den bile daha düşük sıcaklıklara geçici olarak ulaşılmış olsa bile mutlak sıfır soyut bir düşüncedir. Ne kadar çalışırlarsa çalışsınlar, bilim insanları gerçekte mutlak sıfıra kesinlikle ulaşamayacaklarını bilirler.
Mutlak Sıfıra Ulaşmak Neden Mümkün Değildir?
Koşullar mutlak sıfıra yaklaştığında, fizik garipleşmeye başlar. Örneğin Azot -210 Santigrat derecede donarak kararsız bir katıya dönüşür ve sıvı helyum, yaklaşık 2 Kelvin’de sürtünmesiz bir “süper sıvı” haline gelir. Düşük yoğunluklu bir gazı mutlak sıfırın sadece biraz üzerindeki sıcaklıklara soğuttuğunuzda Bose-Einstein Yoğuşması adı verilen ilginç fenomen de ortaya çıkacaktır.
Bose-Einstein yoğunlaşması esnasında farklı dalga boyları sergileyen birden fazla farklı atoma sahip olmak yerine, tek bir dalga boyu sergileyen tek bir atomu gözlemleriz. Yani bu esnada maddenin diğer tüm hallerinden farklı olarak, tüm atomlar birlikte titreşir.
Artık birbirinden ayrı duran binlerce atom yoktur; aynı şekilde davranan ve dev bir dalgaymış gibi hareket eden sadece tek bir “süper atom” vardır. Bu noktada atomlar, genellikle fotonlar gibi ayırt edemediğiniz parçacıklara uygulanan Bose-Einstein istatistiklerine uymaya başlarlar. Bu da fizik dünyasında yeni ve inanılmaz başarı kapıları açma potansiyeli taşır. DEtyalar:
Uzak gelecekte, evren her şeyin sonunda mutlak sıfıra yaklaşacaktır. Bununla birlikte, bilim insanlarının bir laboratuvarda mutlak sıfır koşulları yaratması imkansızdır. Çünkü bir nesneden tüm ısıyı çıkarmak çok büyük miktarda enerji gerektirir.
2021 yılında yapılan bir araştırmada uygun laboratuvar koşullarında bilim insanları bunu yapmayı denediler. Bunun sonucunda sadece iki saniyeliğine de olsa mutlak sıfırın bir Kelvin’in 38 trilyonda biri üzerinde bir sıcaklık elde etmeyi başardılar. Ancak yine de mutlak sıfıra ulaşılamadı. Sonuçta mutlak sıfır noktasına da sürekli yaklaşabileceğimizi ama asla ulaşamayacağımızı kabul ediyoruz.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- What Does Absolute Zero Mean?; https://www.discovermagazine.com
- Absolute zero; https://en.wikipedia.org/
- Scientists Got Close to Reaching Absolute Zero. Yayınlanma tarihi: 3 Mart 2022; Bağlantı: https://www.popularmechanics.com/
Matematiksel
