Negatif Mutlak Sıcaklığa “İnerken” Mutlak Sıfırdan Geçiliyor mu?

2013 yılının Ocak ayında, Almanya’da çalışan bir bilim ekibi, bir gazı mutlak sıfırın altına indirmeyi başardıklarını açıkladı. Bilimsel terminolojiye aşina olan, sözcüklerin asıl tanımlarını bi..
Görsel Telif:

2013 yılının Ocak ayında, Almanya’da çalışan bir bilim ekibi, bir gazı mutlak sıfırın altına indirmeyi başardıklarını açıkladı. Bilimsel terminolojiye aşina olan, sözcüklerin asıl tanımlarını bilen kişiler için olan-biteni anlamak zor değildi. Fakat kavram ve terimleri, günlük dilde kazandıkları anlamlarla özdeşleştirenlerin kafası epey karıştı.

O yıl, Münih’te bulunan Ludwig Maximilian Üniversitesi’nden Ulrich Schneider ve ekibi, potasyum atomlarından oluşan ultra-soğuk kuantum gazını mutlak sıfırın altına indirdi. Lazer ve manyetik alan kullanarak, atomların bir örgü düzeninde kalmasını sağladılar. Pozitif sıcaklıklarda atomlar birbirlerini iterek, düzeni durağan kılar. Ekip, manyetik alanlarda ayarlama yaparak, atomların birbirlerini itmek yerine çekmesini sağladı. “Bunu yapınca, atomlar aniden en düşük enerjili en kararlı durumlarından, tepki verecek zamanları kalmadan en yüksek enerjili duruma geçiyorlardı. Bu tıpkı bir vadide yürürken, kendinizi bir anda dağ tepesinde bulmanıza benziyor,” diyor Schneider. Pozitif sıcaklıklarda, böyle bir tersine çevirme işlemi kararsız olur ve atomlar içeri çöker. Ama ekip ayrıca tuzaklayıcı lazer alanını da ayarlayarak, konumlarında kalmalarını atomlar için enerjisel açıdan istenebilir kıldı. Bu sonuç, Science dergisindeki makalede, gazın mutlak sıfırın hemen üstündeki bir değerden, milyarda bir Kelvin kadar mutlak sıfırın altına düşüş yaptığı şeklinde tanımlandı.

Görüldüğü gibi, pozitif sıcaklıklarda laboratuvarda üretilmesi zor olan bazı egzotik yüksek enerjili durumlar, negatif sıcaklıklarda kararlı olabiliyor. Bu teknik sayesinde, söz konusu durumlar ayrıntılı bir şekilde incelenme şansı buluyor ve yeni madde formlarının laboratuvarda üretilmesi konusunda umut vaad ediyor. Schneider ve ekibine, gerçekleştirdikleri deney tekniğini öneren kuramsal fizikçi Achim Rosch, bu tür sistemlerin çok acayip davranışlarının olabileceğini belirtiyor. Örneğin, Rosch ve çalışma arkadaşlarının hesaplarına göre, normalde atom bulutları kütleçekim tarafından aşağı doğru çekilirken, eğer bulutun bir kısmı negatif bir mutlak sıcaklıkta ise bazı atomlar açıkça kütleçekime meydan okuyarak, yukarı doğru hareket edebilir. Kütleçekime karşı koyarak, evrenin genişlemesine neden olan gizemli karanlık enerjiyi bir nevi taklit ediyor gibiler. Schneider, ekip tarafından üretilen gazdaki çekici atomların da içeri çökmek istediğini ama yapamadıklarını, çünkü negatif mutlak sıcaklığın onları durağanlaştırdığını söylüyor.

Sıcaklığın Tanımı

Şimdi gelelim bu “mutlak sıfırın altına inme” dedikleri olayın ne olduğuna… Öncelikle anlaşılması gereken şu: Termodinamik, sıcaklığı fiziksel bir parametre olarak tanımlamaz. Sıcaklık, enerji dağılımının istatistiksel bir ölçüsüdür; dolayısıyla alışılmadık enerji dağılımları üreterek, kuramsal olarak çılgın sıcaklık değerlerine ulaşılabilir. O halde, enerji dağılımının (parçacıkların hareketliliklerinin) ayarına bağlı olarak negatif bir değer de elde edilebilir. Ama bu şekilde yapay olarak elde edilen negatif sıcaklık, bizim deneyimlediğimiz anlamda soğuma anlamına gelmez. Sadece, sistemdeki atomların çoğunun yüksek enerjili olduğu anlamına gelir; yani atomların enerjilerinin istatistiksel dağılımının değişmesi dolayısıyla sıcaklık değerinin negatif olduğu söylenir.

Ekip, böyle yapay bir enerji dağılımı üretmek için önce gazı sıfıra mümkün olduğunca yaklaştırıyor. Burada iki kavram sahneye çıkıyor: Lazerle tuzaklama ve buharlaştırarak soğutma. Temel olarak bir yönde ilerleyen bir atom akışı olur. Lazer, ters yönden tam bunlara doğrultulur. Akıntıya karşı yüzmek ya da rüzgara karşı koşmak gibi, atomlar yavaşlar, durur, hatta geriye doğru itilirler. Ardından durumu eşitlemek için (geriye itilmesinler diye) bir başka lazer, atomların başlangıçtaki akış yönünde yerleştirilir ve atomlar sıkışıp kalmış olur. Buna yukarı ve aşağı yönlü lazerler de eklenirse, atomlar tuzaklanmış olur.

Bu noktada buharlı soğutma devreye girer. Sıcaklığın, sıcaklığı ölçülen nesneyi oluşturan atomların enerjileri (yani ne kadar hareketli oldukları) ile ilgili olduğunu anımsayalım. Eğer bir şekilde yüksek enerjili atomları çekip alabilirsek, geriye sadece düşük enerjililer kalmış olur ve bu da sıcaklığın düşmesi anlamına gelir. Bunu yapabilmek için araştırmacılar tuzağı birazcık gevşetir. Bu sayede yüksek enerjili atomlar kaçabilir. Bunu çok kez yineleyerek, sonunda geriye büyük çoğunluğu düşük enerjili atomlardan oluşan bir gaz elde ederler. Sıcaklığı düşürmüşlerdir. Bilimciler, mutlak sıfıra yaklaşmak için yukarıda sözü edilen lazer tuzaklama ve buharlı soğutma işlemlerinden yararlanırlar. Negatif sıcaklıklara inmek ise başka yöntemler gerektirir.

Mutlak Sıfırın Anlamı

Şu var ki, azıcık bir enerjinin kalması bile “bir miktar enerjinin olması” demektir. Hiç enerjinin olmadığı kuramsal durum (en azından bizim gibi atomdan oluşan varlıklar için kuramsal kalmaya mahkum) olan “mutlak sıfır”da ise her şey hareketsizleşir, donakalır.

İşin aslı, bu bir donakalma bile olmayıp, doğrudan çözülüp dağılma, hatta yok olma anlamı da taşıyabilir. Çünkü biliyoruz ki, atomlar kendilerinden daha küçük atomaltı parçacıklardan oluşuyor. Bu atomaltı parçacıkları bir arada tutan kuvvetlerin yapısının da, “kuvvet taşıyıcı parçacıklar” olan ara bozonların değiş-tokuşu ile gerçekleştiğini biliyoruz. Dalga-parçacık ikiliğini de düşündüğümüzde ve maddeye enerji titreşimleri olarak baktığımızda ise mutlak sıfırın hareketsizliğinin, belki de bir anda gerçekleşecek komple bir evren temizliği gibi düşünülebileceği akla geliyor; yayını bir anda kesilip sessizliğe bürünen bir radyo istasyonu gibi.

Doğal Negatif, Yapay Negatif  ve Entropi

Kelvin ölçeğinde negatif sıcaklıklara sahip olmak ile mutlak sıfırın altına inmek aynı şey değildir. Aslında, birbirlerinden temelden farklıdırlar. Negatif sıcaklıklı bir sistemde, maksimum enerjiye yakın atom sayısı arttıkça sıcaklık düşer. Negatif sıcaklık, sonsuzun ötesindeki sıcaklıkları belirtir:

+0 K, . . . , +300 K, . . . , +∞ K, −∞ K, . . . , −300 K, . . . , −0 K

Burada “sıcaklık” sözcüğünün tanımı olarak, günlük hayattaki “sıcak” kavramı ile kafamızın karışmaması gerekiyor. Sıcaklığın (T) tersi, entropinin (S) enerjiye (E) göre değişimine eşittir. O nedenle negatif sıcaklık, enerji arttıkça entropinin azalması demek olur.

Pozitif sıcaklıklı tipik bir malzemeye ısı biçiminde enerji eklenirse, atomların düzensizliği ve dolayısıyla entropi artar. Entropi bir anlamda sistemdeki kaosun ölçüsü olarak tanımlanabileceğine göre şöyle bir sistem düşünelim: Eşdeğer atomlardan oluşan bir sistem olsun; tüm atomlar düşük enerji durumunda olsun (doğada, hemen hemen tüm sistemlerde atomların çoğu düşük enerjilidir). Sistem kusursuz bir düzene sahip olsun. Şimdi sisteme, tek bir atomu, daha yüksek bir enerji düzeyine çıkaracak kadar enerji verdiğimizi düşünelim. Entropi artmış olur; hangi atomun yükseleceğini söylemenizin bir yolu yoktur ve sistem birden daha kaotik yani düzensiz olur.

Fakat bir şekilde üretebildiğiniz bir başka sistem düşünelim. Bu yapay (doğada rastlanmayan) sistemde biri hariç tüm atomlar yüksek enerji durumunda olsun. Aynı miktarda enerji eklediğinizde, düşük enerjili o tek atom da (hangisi olduğunu biliyorsunuz) yüksek enerjili duruma çıkacağından, sisteminizin düzenliliği artarak, entropisi azalacak olsun yani. İşte kilit nokta bu: Bir sisteme enerji eklediğiniz sürece giderek daha da düzensizleşir, ta ki enerji vermenin onu daha düzenli bir hâle getireceği noktaya kadar. Genellikle enerji arttıkça, entropi artar. Fakat tersine çevrilmiş durumda, enerji arttıkça entropi azalır. Bu da bağıntının işaretini tersine çevirir; negatif yapar. Yani buradaki negatif, matematiksel bir negatiftir. Mutlak negatif değerler, sayısal olarak mutlak sıfırdan küçük olsa da, soğuk değillerdir. Tam tersine, gaz aşırı sıcaktır.

Schenider ve ekibinin ürettiği sistem, yapay bir sistem. Atomların o şekilde davranması için lazer ve manyetik alan zorlaması gibi pek çok etken devreye sokulduğu için atomlar itme-çekme davranışlarında tersine bir davranış sergiledi. Buna rağmen, belki de doğada farklı bir ölçekte, buna benzer zorlamalarla karşılaşarak, buna benzer davranışlar sergileyen sistemler varolabilir. Özellikle de bir kısmı negatif sıcaklıkta olan atom bulutunun kütleçekime karşı koyuşunun, karanlık enerjiye benzerliği düşünülürse…


Kaynaklar:

  • ZME Science, “Physicists create negative temperature state – thermodynamic laws still stand
    <http://www.zmescience.com/science/physics/lower-than-zero-temperature-07012013/>
  • Nature, “Quantum gas goes below absolute zero
    <http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146>
  • The Collapsed Wave Function, “Negative Temperature”
    <http://www.thecollapsedwavefunction.com/2013/01/negative-temperature.html>
  • Digital Journal, “Scientists record hottest temperature ever measured”
    <http://www.digitaljournal.com/article/340746>

İlgili Makale:  Braun, S. et al. “Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom“, Science 339, 5255 (2013).
<http://science.sciencemag.org/content/339/6115/52>


Bu içerik BilimFili.com yazarı tarafından oluşturulmuştur. BilimFili.com`un belirtmiş olduğu “Kullanım İzinleri”ne bağlı kalmak kaydıyla kullanabilirsiniz.

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (1 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

  • simurg 15 Ağustos 2017 - 04:15
  • Öeeeh, bu konu ilk haber olduğunda itiraz etmiştim, bu makaleden de anladım ki itirazlarımda haklıymışım, sağolun. Öeeeh tepkime sebep olan kısım, matematiksel bir sanal durumu haberde ve bunu paylaşan bir iki ciddi bilim sitesinde gerçekten mutlak sıfırın altına soğuma var gibi anlatılması. Durumun termodinamik yasaya bağlı entropi artışı ile ilgili bir tersinme olduğu seziliyor ancak bunu ifde etmek ve anlamak güç olduğundan, haber böyle verilince karışıklık çıkıyor. Zira fizik yasalarını değiştirmeden “0” enerji durumu atomaltı ölçeklerde bile mümkün olmadığına göre termodinamiğin yasaları değil, zaten korunan bir nicelik olmayan entropiye dair zorunlu pozitif tanımlamasının değiştirilmesi gerektiğini düşünüyorum şahsen. Yani mutlak sıfıra ulaşılamaz, yoktan enerji üretilemez, devir daim makinesi imkansızdır vs ancak sistemdeki entropinin yönü değiştirilebilir ki buna da negatif sıcaklık denmiş. 0 Kelvin değerinin en alt enerji durumu olduğunu düşündüğümüzde buradaki deneyde gerçekleştirilen durumun bununla ilgisi yok negatiflikle karıştırılıp kafalar da karıştırılmış entropi nedeniyle. Dolayısıyla bu sonucu bu tanım dahilinde kabul etmiyorum, bilim dünyası da kabul etmemeli bence. Tabi eğer tutarlı olmak gibi bir dertleri yok bundan çok haber olmak ise dert, o ayrı. Yani bu varsayımsal olarak feynman hesaplarında her anti madde partikülü zamanda ters gidiyor olarak ele alınırsa ışıktan hızlı da kabul edilebilir demek gibi birşey. Hiç bir gözlemci pozitronu ışıktan hızlı hareket halinde ölçemez zaten kütlesi var, ama pozitronu elektron varsayarsak formüle göre öyle de düşünebiliriz demek gibi olmuş bu konu da bence.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak istersen
Patreon üzerinden
aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsin.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv