Osvajanje absolutne ničle

Pionir osvajanja nizkih temperatur

Škotski fizik in kemik James Dewar je v devetnajstem stoletju razvil veliko novih tehnik in pripomočkov za delo z zelo hladnimi plini in tekočinami. Med drugim je iznašel vakuumsko ali Dewarjevo posodo, ki jo danes uporabljamo tudi, ko želimo, da čaj ostane čim dlje vroč. Posoda preprečuje prevajanje toplote med notranjostjo in okolico, saj je narejena tako, da ima v stenah vakuum.

Dewar je bil znan kot zanimiv predavatelj, saj je na svojih seminarjih pogosto pritegnil pozornost publike tudi z atraktivnimi eksperimenti. Kot se je kasneje spominjal, je začel svet ledu in mraza spoznavati že kot deček, ko je velikokrat drsal po zamrznjenem jezeru na Škotskem. Leta 1852, ko je imel deset let, se mu je led nesrečno vdrl, tako da je padel v mrzlo vodo, od koder so ga sicer rešili, a je zaradi podhladitve hudo zbolel. Dobil je revmatično mrzlico in trajalo je več let, da je povsem okreval.

Kot raziskovalec je želel nadaljevati delo svojega vzornika Michaela Faradaya, ki je med drugim z eksperimenti pokazal, da se nekateri plini, kot je denimo amonijak, pod visokim tlakom utekočinijo. Faradaya je zanimalo, ali to velja za vse pline. S poskusi je ugotovil, da nekaterih plinov, kot so vodik, dušik in kisik, nikakor ne more pretvoriti v tekočine, če se še tako trudi. S tehnologijo utekočinjanja plinov, ki jo je imel takrat na voljo, mu je uspelo vzpostaviti temperature le do –130 °C, kar je bila za nekatere pline še vedno previsoka temperatura.

Zakaj je nekatere pline težje utekočiniti?

Leta 1873 je nizozemski fizik Johannes Diderik van der Waals pojasnil, zakaj nekaterih plinov ni mogoče tako preprosto utekočiniti. Iz podatkov o silah med atomi in molekulami mu je uspelo izračunati, kakšno kritično temperaturo mora posamezni plin preseči, da se utekočini. Kisik, dušik in vodik je bilo treba za utekočinjenje ohladiti še bistveno bolj, kot so sprva domnevali. Najbolj zahteven je bil vodik, saj naj bi se spremenil v kapljevino šele nekaj deset stopinj nad absolutno ničlo.

Dewar si je za raziskovalni cilj zadal, da bo kot prvi utekočinil vodik. Postopek doseganja nizkih temperatur je bil takrat zelo zahteven, saj so morali v laboratoriju zaporedoma utekočinjati pline, ki so imeli vedno nižje temperature prehoda v stanje kapljevine. Prvi utekočinjen plin se je uporabil za hlajenje in utekočinjanje naslednjega in tako po vrsti do vedno nižjih temperatur.

Da bi na koncu utekočinili še vodik, so morali najprej ustvariti zelo mrzlo okolje s pomočjo drugih plinov, posamezni plin pa so morali tudi zelo močno stisnili. Ker so delali z zelo visokimi tlaki in pri zelo nizkih temperaturah, je bila nevarnost eksplozij velika. Nesreče so bile pogoste in nekoč je Dewarjev zvesti sodelavec zaradi eksplozije izgubil oko. Čeprav je Dewar v laboratorijskih dnevnikih vestno opisal vse, kar se je pri eksplozijah poškodovalo na opremi, poškodb svojih asistentov v teh zapiskih ni omenjal.

Približevanje absolutni ničli

Leta 1898 mu je končno uspelo utekočiniti vodik in doseči temperaturo –250 °C. Prepričan je bil, da je izvedel velik znanstveni preboj, a so ravno takrat odkrili še helij, ki naj bi se utekočinil pri še nižji temperaturi kot vodik. Za helij je teorija napovedala, da se bo utekočinil pri temperaturi le približno 5 stopinj nad absolutno ničlo, kar je takoj postal nov mejnik, ki so ga raziskovalci poskušali doseči.

V lov za novim rekordom se je podal tudi Dewar, a je imel velike težave predvsem s pridobivanjem dovolj velike količine helija. Ko je njegovemu asistentu veliko težko pridobljenega plina po pomoti ušlo, ker je odprl napačen ventil, je postalo jasno, da ga bodo drugi znanstveniki tokrat prehiteli.

Nizozemcu Heiku Kamerlinghu Onnesu je leta 1908 kot prvemu uspelo utekočiniti helij in doseči nov rekord v približevanju absolutni ničli. Ko so izvajali eksperiment, ki je trajal ves dan, saj so morali postopoma ustvariti vedno nižje temperature, je bili menda tako zakopan v delo, da ga je morala žena s kosilom kar pitati, saj ni hotel prekiniti dela niti za minuto. A napor se je izplačal. Kot prvemu mu je uspelo utekočiniti helij in doseči nov temperaturni rekord.

Ko so bili pomembni mejniki glede osvajanje nizkih temperatur v začetku dvajsetega stoletja tako doseženi, se je začelo raziskovanje lastnosti, ki jih imajo snovi, ko so zelo ohlajene. Leta 1911 so tako ugotovili, da nekatere snovi nimajo več električnega upora pri temperaturah le nekaj stopinj nad absolutno ničlo. Kamerlingh Onnes je skrivnosten pojav poimenoval superprevodnost in si za vse svoje dosežke pri raziskovanju lastnosti zelo hladnih snovi leta 1913 prislužili tudi Nobelovo nagrado.

Poleg superprevodnosti so pri zelo nizkih temperaturah zaznali še en nenavaden pojav. Tekoči helij se je pri nadaljnjem ohlajanju pretvoril v posebno vrsto tekočine, ki ni imela viskoznosti. Novo stanje so poimenovali supertekočina in je sprva niso znali pojasniti, a so pravilno domnevali, da se odgovor skriva v takrat še razmeroma novi teoriji kvantne fizike.

Novo stanje snovi, v katerem delci izgubijo identiteto

Leta 1925 je mlad indijski znanstvenik Satjendra Nat Bose poslal Albertu Einsteinu rokopis članka, ki mu ga ni uspelo objaviti v nobeni znanstveni reviji. V njem je matematiko, ki je opisovala obnašanje fotonov, apliciral na molekule in atome. Einsteinu se je zdela ideja zanimiva in jo je še nadgradil.

Na podlagi novih izračunov je prišel do ugotovitve, da bi pri zelo nizki temperaturi, le malenkost nad absolutno ničlo, snov prešla v novo, še neznano stanje. Tvoril naj bi se Bose-Einsteinov kondenzat, kot so stanje kasneje poimenovali. Einstein je napovedal obstoj posebnega stanja snovi, v katerem atomi izgubijo svojo individualnost. Atomov v tem stanju ni mogoče medsebojno razlikovati, ampak tvorijo skupno celoto.

Ker je bilo treba za vzpostavitev Bose-Einsteinovega kondenzata ustvariti temperature zelo blizu absolutni ničli, so morali najprej iznajti nove tehnike hlajenja že zelo hladne snovi. Dela so se lotili z laserji, s pomočjo katerih so s trkanjem fotonov z ravno pravšnjo energijo atome lahko ohladili tudi do temperature nekaj milijonink stopinje nad absolutno ničlo.

Poleg laserskega ohlajanja so razvili še metodo magnetne pasti, pri kateri ustvarijo magnetno polje, ki ustreza nekakšni jami, v katero se ujamejo že zelo ohlajeni atomi in iz katere lahko nato odletijo le tisti, ki imajo še dovolj kinetične energije. Tisti, ki ostanejo, imajo tako v povprečju vedno manj energije in so tako vedno bolj hladni.

Raziskovalcem je Bose-Einsteinov kondenzat prvič uspelo ustvariti šele leta 1995. Oblak zgolj nekaj tisoč rubidijevih atomov so ohladili do te mere, da so ti izgubili svojo individualnost in postali del celote oblaka. Menda je bilo to prvič, da se je kjerkoli v vesolju ustvarilo takšno stanje snovi, saj je temperatura tudi v praznem medzvezdnem prostoru bistveno višja.

Če prikažemo temperaturno skalo kot razdaljo med oddaljenimi kraji in razliko med sobno temperaturo in absolutno ničlo primerjamo z razdaljo med New Yorkom in Ljubljano, je oddaljenost od absolutne ničle, ki jo ustvarijo pri takšnih eksperimentih, primerljiva z velikostjo svinčnikove konice.