Ακούγεται αδύνατον, κι όμως το απόλυτο μηδέν δεν είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία: ερευνητές στο Μόναχο κατάφεραν για πρώτη φορά να παγώσουν άτομα κάτω από αυτό το απόλυτο όριο.

Το αλλόκοτο επίτευγμα, το οποίο παρουσιάζεται την Παρασκευή στο κορυφαίο περιοδικό Science, βρίθει από διάφορα παράδοξα συμπεράσματα: για παράδειγμα, μπορεί κανείς να θεωρήσει ότι ένα σώμα με θερμοκρασία κάτω από το απόλυτο μηδέν είναι στην πραγματικότητα πιο καυτό από ένα αντικείμενο με άπειρη θερμοκρασία.

Επιπλέον, οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν θα επέτρεπαν θεωρητικά τη δημιουργία θερμικών μηχανών με απόδοση μεγαλύτερη από 100%.

Αποστομώνοντας τον λόρδο Κέλβιν

Για να φτάσουν σε αυτές τις αρνητικές θερμοκρασίες, οι ερευνητές ουσιαστικά κράτησαν ακίνητα τα άτομα ενός αερίου τη στιγμή που αύξαναν απότομα την ενέργειά τους.

H θερμοκρασία ενός οποιουδήποτε σώματος εξαρτάται από το πόσο έντονα κινούνται τα άτομά του, ή με άλλα λόγια από τη μέση ενέργεια των ατόμων του.

Στη φυσική οι θερμοκρασίες μετρώνται στην κλίμακα Κέλβιν, την οποία όρισε στα μέσα του 19ου αιώνα Βρετανός φυσικός Λόρδος Κέλβιν. Ένας βαθμός Κέλβιν ισούται με έναν βαθμό Κελσίου, ωστόσο η κλίμακα Κέλβιν δεν ξεκινά στη θερμοκρασία που παγώνει στο νερό, αλλά στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν, που βρίσκεται στους -273,15 βαθμούς Κελσίου (η θερμοκρασία των 0 βαθμών Κελσίου αντιστοιχεί επομένως σε 273,15 βαθμούς Κέλβιν).

Στο απόλυτο μηδέν, τα άτομα υποτίθεται ότι έχουν μηδενική ενέργεια και παραμένουν εντελώς ακίνητα.

Από τεχνική άποψη όμως, αυτό δεν ισχύει πάντα. Στην πράξη, τα άτομα ενός υλικού δεν έχουν όλα την ίδια ενέργεια ταυτόχρονα. Σε κανονικές συνθήκες, τα περισσότερα άτομα έχουν ενέργεια κοντά στο μέσο όρο, ορισμένα όμως μπορεί να βρίσκονται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας.

Όπως εξηγούν οι συγγραφείς της νέας μελέτης, οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν εμφανίζονται όταν συμβαίνει το αντίθετο, όταν δηλαδή τα περισσότερα άτομα ενός υλικού έχουν ενέργεια πάνω από το μέσο όρο (συγκεκριμένα, οι θερμοκρασίες αυτές εμφανίζονται σε υλικά των οποίων τα άτομα ακολουθούν μια ανεστραμμένη κατανομή Boltzmann).

Σύμφωνα με τον Ούλριχ Σνάιντερ, επικεφαλής της μελέτης στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου, οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν μπορούν να θεωρηθούν ως θετικές θερμοκρασίες που ξεπερνούν το άπειρο.

«Το αέριο που δημιουργήσαμε δεν είναι πιο ψυχρό από μηδέν Κέλβιν, αντιθέτως είναι θερμότερο. Είναι θερμότερο ακόμα και από οποιαδήποτε θετική θερμοκρασία: η κλίμακα θερμοκρασιών δεν σταματά στην αιωνιότητα, αλλά αντίθετα πηδά σε αρνητικές τιμές» αναφέρει ο ερευνητής στο LiveScience.com.

Τα παράδοξα δεν σταματούν εδώ. Για παράδειγμα, σε κανονικές συνθήκες η ενέργεια ρέει αυθόρμητα από τα θερμότερα στα ψυχρότερα σώματα. Παρόλα αυτά, η ενέργεια πάντα θα ρέει από τα αντικείμενα με αρνητική θερμοκρασία στα αντικείμενα με θετική θερμοκρασία. Με την έννοια αυτή, τα αντικείμενα με αρνητική θερμοκρασία είναι θερμότερα από τα αντικείμενα με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Αιωρούμενα άτομα

Για να πετύχει αρνητικές θερμοκρασίες, η ομάδα του Δρ Σνάιντερ τοποθέτησε άτομα καλίου σε έναν θάλαμο κενού και τα κατέψυξε σε θερμοκρασία μερικών δισεκατομμυριοστών πάνω από το απόλυτο μηδέν. Επιπλέον, σταθεροποίησε τα άτομα στη θέση τους χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία και δέσμες λέιζερ.

Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα απωθούσαν το ένα το άλλο. Μια απότομη αλλαγή του μαγνητικού πεδίου, όμως, τα έκανε ξαφνικά να έλκονται και να εκτινάσσονται απότομα στη μέγιστη ενεργειακή τους κατάσταση. Ο κατάλληλος χειρισμός των λέιζερ εμπόδισε τα άτομα να καταρρεύσουν το ένα πάνω στο άλλο, δηλαδή τα κράτησε ακίνητα καθώς η τάση τους για ταλάντωση μεγιστοποιούνταν.

Η κατάσταση αυτή, αναφέρει η ερευνητική ομάδα, αντιστοιχεί στη μετάπτωση ενός σώματος από θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν σε αρνητικές θερμοκρασίες μερικά δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν κάτω από το απόλυτο μηδέν.

Οι θερμοκρασίες αυτές θα επέτρεπαν θεωρητικά τη δημιουργία θερμικών μηχανών (μηχανών που μετατρέπουν τη θερμότητα σε έργο) με απόδοση άνω του 100%, κάτι που ακούγεται αδύνατο. Οι μηχανές αυτές ουσιαστικά θα παρήγαγαν μηχανικό έργο απορροφώντας θερμότητα όχι μόνο από τα θερμότερα σώματα αλλά και από τα ψυχρότερα.

Σε πρώτη φάση όμως οι αρνητικές θερμοκρασίες είναι πιθανότερο να προσελκύσουν το ενδιαφέρον των κοσμολόγων, καθώς παρουσιάζουν ορισμένες ομοιότητες με τη λεγόμενη «σκοτεινή ενέργεια»: μια μυστηριώδη δύναμη που δρα αντίθετα από τη βαρύτητα να αναγκάζει το Σύμπαν να επιταχύνεται με ολοένα αυξανόμενη ταχύτητα.

Η σκοτεινή ενέργεια μοιάζει με τις αρνητικές θερμοκρασίες επειδή τα άτομα ενός υλικού σε αρνητική θερμοκρασία έχουν την τάση να πλησιάσουν το ένα το άλλο, όπως οι γαλαξίες υπό την επίδραση της βαρύτητας, τελικά όμως παραμένουν στη θέση τους, επειδή η αρνητική θερμοκρασία τα εμποδίζει να πλησιάσουν.

«Μια καλύτερη κατανόηση της θερμοκρασίας θα μπορούσε να μας οδηγήσει σε νέες γνώσεις τις οποίες δεν έχουμε καν φανταστεί» σχολίασε ο Δρ Σνάιντερ. «Όταν κανείς μελετά τα βασικά πολύ προσεκτικά, ποτέ δεν ξέρει πού θα οδηγηθεί» είπε.