Yazan: Victoria Atkinson
Çeviren: İrem Demirci
Düzenleyen: Ümit Sözbilir
Özet: Mutlak sıfır bilim insanları tarafından ulaşılabilecek en düşük sıcaklık olarak tanımlanmıştır. Sıcaklık, sistemdeki bütün taneciklerin enerji ve titreşimlerinin ölçümüdür ve mutlak sıcaklıkta tanecikler hareketsiz kalır. Bu zamana kadar en düşük −273,15 °C sıcaklığına ulaşılmıştır. Mutlak sıcaklık kuantum mekaniğiyle ilgili olduğundan, daha düşük bir sıcaklığa ulaşmak şu an için pek mümkün gözükmese de bilim insanları bu sıcaklığa ulaşmak yerine daha çok kuantum etkilerini görmekle ilgileniyorlar.
Ulaşılabilecek en düşük sıcaklık olan mutlak sıfır, bilim insanları tarafından −273,15 °C olarak tanımlanmıştır. Bu sıcaklık değeri, 2,7 Kelvin sıcaklığında (−270,15 °C) olan uzay boşluğundan bile daha soğuk bir sıcaklığı gösterir. Bugün bildiğimiz kadarıyla hiçbir şey mutlak sıfıra ulaşmamıştır. Peki bu dondurucu dönüm noktasına ulaşmak mümkün müdür?
Bu soruya cevap vermek için öncelikle sıcaklığın tam olarak ne olduğunu anlamalıyız. Sıcaklığın bir şeyin sıcak ve soğuk olmasıyla ilgili olduğunu düşünsek de aslında bir sistemdeki bütün taneciklerin enerji ve titreşimlerinin ölçümüdür. Sıcak maddeler daha fazla enerjiye sahiptir yani onların tanecikleri daha hızlı titreşir. Taneciklerinin enerjisinin hiç olmaması yani bir hareket içinde olmadıkları duruma mutlak sıfır denir.
Bilim insanları tanecikler yavaşladığında bazı ilginç kuantum etkileri ortaya çıktığından bu düşük sıcaklıklara ulaşmak istemişlerdir. Hint Teknoloji Enstitüsünde teorik yoğun madde fizikçisi olan Sankalpa Ghosh, en temel kuantum mekaniği ilkelerinden biri olan ışığın bir fotonundaki taneciğin tanecik veya dalga olarak davranıyor olması fenomeni olduğunu söyledi.
Ghosh, Live Science’a gönderdiği bir e-postada kuantum mekaniği tanecikleri ile uğraşırken onların “ayırt edilemezlik” özelliğini hatırlamanın önemli olduğunu söyledi ve şöyle devam etti: “Daha büyük cisimlerde bu tanecikleri ya da dalgaları ayrı olarak izlemek mümkün değil. Bunun kökeni kuantum mekaniği özelliğini (Bir parçacığın konumu tam olarak ölçüldüğünde o parçacığın momentumu tam bilmek zorlaşır.) nicelendiren ünlü Heisenberg Belirsizlik İlkesine kadar uzanır.” Böyle bir olasılıksal doğa olayı kuantum mekaniği taneciğine dalga yapılı benzeri bir karakter kazandırır. Dalgaya benzer olan bu kuantum davranışının boyutu ısıl de Broglie dalga boyu ve tanecikler arası uzaklığın oranı ile ifade ediliyor. Normal sıcaklıklarda bu kuantum davranışı ihmal edilebilse de parçacık soğudukça farklı etkiler ortaya çıkıyor. Ghosh bu durumu şöyle açıkladı: “Bu oran sıcaklık düştükçe büyüyor ve mutlak sıfırda ise sonsuz oluyor. Bu durumda süper akışkanlık (sürtünme olmayan bir akış) süperiletkenlik (sürtünme olmadan elektrik akımının akması) ve aşırı soğuk atomik yoğunlaşma kuantum olgularının tümü bu olay sonucu gerçekleşiyor.”
1990’larda aşırı soğuk koşullarda yapılan deneylerde lazer soğuması tekniği ile bu etkileri görmeyi denediler. Oxford Üniversitesinde ultra soğuk alanında uzman olan Fizikçi Christopher Foot şöyle açıkladı: “Işık atomlara bir kuvvet uygulayarak onları 1 Kelvin gibi (−273,15 °C) oldukça soğuk sıcaklıklara getirir. Bu sıcaklık katılarda ve sıvılarda kuantum davranışını incelemek için yeterli, gazlarda ise bu kuantum etkilerini görmek için onlarca nanokelvin sıcaklığına ulaşmamız gerekiyor.”
Laboratuvarda şimdiye kadar ulaşılan en düşük sıcaklık Almanya’da 2021’de bir araştırma grubu tarafından elde edildi. Manyetize edilmiş gaz atomları 120 metrelik bir kulenin içine indirildi, yavaş parçacıkları neredeyse durmuş hâle getirmek için sürekli olarak manyetik alanı açıp kapadılar. Manyetik kıstırma soğuması olarak bilinen bu deneyde gaz parçacıklar 38 pikokelvin (mutlak sıfırın santigrat derecenin 38 trilyonda biri üstünde) sıcaklığına ulaştılar. Bu sıcaklık gazlarda kuantum etkilerini görmek için uygun bir aralıktaki sıcaklıktaydı.
Peki malzemeleri bundan daha fazlasına soğutmanın bir anlamı var mıdır? Foot bunu anlamsız bularak şöyle açıklıyor: “Biz mutlak sıfıra ulaşmaktansa daha çok kuantum etkilerini görmekle ilgileniyoruz. Lazerle soğutulmuş atomlar evrensel zamanı tanımlayan (atomik saatler) atomik standartlarda ve kuantum bilgisayarlarında zaten kullanıldı. Düşük sıcaklarda çalışmak hâlâ araştırma aşamasında ve bu yöntemleri evrensel fizik teorilerini test etmek için kullanıyorlar.”
Şu an, mutlak sıfırın üstünde santigrat derecenin 38 trilyonda birinden daha soğuk bir dereceye ulaşılmıyor ve bunu gerçeğe dönüştürürken birkaç engel ortaya çıkabilir. Aslında mutlak sıfıra ulaşsak bile titiz bir ölçüm yapılmadığından bunu kaçırabiliriz.
Foot, “Şu anki ölçüm araçlarıyla mutlak sıfır mı yoksa çok düşük bir değerdeki sıcaklık mı söylemek çok zor. Mutlak sıfır değerini ölçmek istiyorsak şu anki ölçüm sistemlerinin ulaşamayacağı kadar çok hassas ölçüm yapabilen bir termometreye ihtiyacımız var.” diyerek sözlerini tamamladı.
