Şimdiye kadar maddenin mutlak sıfırdan daha soğuk olamayacağını düşünüyorduk. Ancak, lazer ışınlarına dayalı özel bir soğutma teknolojisi geliştiren bilim adamları, atomları mutlak sıfırdan daha fazla soğutmayı başardılar.
İşin ilginci, negatif sıcaklıklar fizik formüllerinde aynı zamanda sonsuz sıcaklığa karşılık geliyor; yani bir atomu sonsuza kadar soğutmakla sonsuza dek ısıtmak arasında fiziksel olarak hiçbir fark yok.
Bu sıra dışı gelişme yüzde 100’den daha verimli olan devridaim makinelerinin yapılmasına izin verebilir. Uzay boşluğunun ve dolayısıyla evrenin genişlemesinden sorumlu olan “karanlık enerjinin” kaynağını açıklayabilir.
Üç bölümlük bu yazı dizisinde mutlak sıfırdan daha soğuk atomları, devridaim makinesini, evrenin doğumunu ve felsefe ile bilimin sınırlarını ele alıyorum. Kuantum fiziğinin mutlak sıfırdan daha soğuk, sonsuzdan daha sıcak “Negatif sıcaklıklar” dünyasına hoş geldiniz.
Mutlak sıfırı aşmak için bir garip fizik deneyi
Bilim adamları negatif sıcaklıklara ulaşmak için, atomların sahip olabilecekleri enerjiyi sınırlayan bir deney ortamı oluşturdular.
Önce 100 bin kadar atom aldılar ve bunları mutlak sıfıra 1 Kelvin derecenin milyarda biri ölçüsünde yaklaşacak kadar soğuttular (0,000000001 Kelvin veya 1 nanokelvin).
Fizikçiler atomların yanlışlıkla ısınmasını önlemek için bunları bir vakum odasına aldılar ve dış dünyadan tümüyle izole ettiler. Atomları soğutmak üzere lazer ışınları ve manyetik alanlar kullandılar. Lazer ışınları milyarca parlak ışık noktası oluşturarak atomları bir tür enerji ağıyla sardı.
Bu ağın içindeki atomlar titreşebiliyordu ama vakum odasının içinde serbestçe yer değiştiremiyordu. Dolayısıyla da kinetik enerjileri sınırlıydı (Atomlar ısındıkça önce titrerler sonra hareket etmeye başlarlar. Suyun buharlaşmasının sebebi budur).
Sonuç olarak lazer ışınlarından meydana gelen enerji ağı atomların vakum odasında sahip olabileceği maksimum enerji düzeyini (potansiyel enerji düzeyini) sınırladı. Araştırmacılar atomların birbirine çarparak enerji kazanmasını ve ısınmasını önlemek amacıyla manyetik alanlar kullandılar.
Bu alanlar sayesinde atomların elektrik yükünü ayarlayıp atomların birbirine fazla yaklaşmasını, bilardo topu gibi çarpıp sekmesini ve titreşimlerini artırarak ısınmalarını önlediler.
Yeri geldiğinde atomlara tümüyle pozitif veya negatif yük kazandırarak birbirlerini itmelerini sağladılar. 100 bin atomun birbirinden çok uzaklaşmasını önlemek ve vakum odasının duvarlarına çarpmasını önlemek için de bazen, atomların bir kısmına pozitif, bir kısmına negatif yük kazandırarak birbirlerine yaklaşmalarını da sağladılar.
Atomların soğuktan birbirine yapışmasını engelleyen ve bu sırada atomları soğutmaya devam eden bilim adamları, mutlak sıfıra ve nihayet mutlak sıfırın altındaki negatif sıcaklıklara ulaşmayı başardılar. Devridaim makinelerine ve evrenin oluşumuna geçmeden önce, mutlak sıfırın ne olduğunu anlamamız gerekiyor.
Atomları dondurmak
Mutlak sıfırdan daha soğuk bir atomdan söz ettiğimizde, o atomun negatif sıcaklığa sahip olduğunu kastediyoruz. Aslında, günlük hayatta negatif sıcaklık kavramına aşinayız. “İstanbul’da gece don yapacak, sıfırın altında 2 derece” dediğimiz zaman, bu negatif sıcaklık oluyor.
Mutlak sıfır da -273 santigrat dereceye karşılık geliyor. -273 santigrada mutlak sıfır dememizin ise iki sebebi var: Öncelikle fizikte sıcaklığı santigrat ile değil Kelvin dereceyle ölçüyoruz. Mutlak sıfır, 0 Kelvin demek ve 0 Kelvin de -273 santigrada karşılık geliyor.
İkinci olarak, fizikte “sıcaklık” atomların, parçacıkların titreme hızı olarak ölçülüyor. Atomlar ne kadar sıcaksa o kadar çok titriyor. Ne kadar soğuksa o kadar az hareket ediyor. Mutlak sıfırda ise atomlar hiç titremiyor.
Zaten titremeyen bir şeyin “daha az titremesi” mümkün olmadığı için, mutlak sıfırın altında eksi 10 derece gibi bir ifade kullanamıyoruz, yani “-10 Kelvin” diyemiyoruz. En azından bugüne kadar diyemiyorduk. Ancak, bilim adamları lazer ışınları kullanarak atomları mutlak sıfırın altında soğutmayı başardılar. Bu da atomların daha fazla soğumak yerine, müthiş bir hızda ısınmasıyla sonuçlandı! Görünüşteki bu çelişkiyi inceleyelim.
Mutlak sıfırın altında
Çocukluğumda, akşamları sık sık elektrik kesildiği için kaloriferlerimiz yanmazdı ve ne zaman soba yakacağımızı anlamak üzere basit bir termometre kullanırdık. Bugün de oda sıcaklığı 22 derecenin altına düştüğünde, son zamanlarda aldığım fazla kilolara rağmen (90 kiloyum) hemen üşümeye başlarım. 🙂
Oysa evinizdeki termometreye dikkat ederseniz, termometrenin sıcaklığı dikey bir çizgi üzerinde ölçtüğünü görürsünüz. Sıcaklık arttıkça termometredeki kırmızı çizgi yukarı doğru çıkar ve sıcaklık azaldıkça boyu kısalır.
Bilim adamları mutlak sıfırın altındaki negatif sıcaklıklara erişmeyi başardıklarında, görünüşte çelişkili bu durumu açıklamak için sıcaklığı bir çizgi üzerinde değil de yuvarlak bir çember üzerinde ölçmeye karar verdiler. Bunu çizerek açıklamak daha kolay…
Kâğıda bir çember çizin. Bu çemberin en üst noktası maksimum pozitif sıcaklıksa (örneğin 250 derece fırın sıcaklığı) en alt noktası da -250 Kelvin gibi mutlak sıfırdan daha soğuk bir negatif sıcaklık olsun. Bu durumda çemberin üst yarısı pozitif sıcaklıklara, alt yarısı ise Kelvin ölçeğinde negatif sıcaklıklara karşılık gelecektir.
Aslında fizikte çemberin en üst noktası sonsuza kadar artan pozitif sıcaklığı gösteriyor, en alt noktası ise sonsuza kadar azalan mutlak sıfırdan soğuk negatif sıcaklığı gösteriyor. Ancak, konuyu daha iyi anlatabilmek için size 250 Kelvin derece gibi sonlu bir örnek verdim.
Sıcaklığı çizgisel olarak değil de dairesel olarak ölçmenin esprisi ne?
Bildiğiniz gibi bir çemberin başı ve sonu yoktur. Bir noktadan çıkıp yola devam ederseniz başladığınız noktaya geri dönersiniz. Çemberin başı, sonu yoktur ve bu yüzden sıcaklık ölçeğinde sonsuzluğu temsil eder. Bilim adamlarının sonsuza kadar artan ve azalan sıcaklıkları ölçmek için sonlu termometre çizgisi yerine, sonsuz çemberi seçtiler.
Isının bilimi termodinamik yasalarıdır: İnsanlar üşürse hasta olur. Kaloriferler “üşürse” odamız ısınır.
Isı enerjisinin aktarımını düzenleyen termodinamik yasalarına göre, sıfırdan yüksek, pozitif sıcaklığa sahip atomlar “yüksek enerji düzeylerinde” bulunurlar ama hep daha düşük bir enerji düzeyine geçmek isterler.
Bu da sıfırın üstündeki pozitif sıcaklıklarda, sıcak nesnelerin dışarıya ısı vererek soğuması anlamına geliyor. Soğuk nesneler ise dışarıdan ısı çekerek ısınıyor. Örneğin bardağınıza sıcak çay koyduğunuz zaman dumanı tütüyor. Dumanı tüten çay odayı ısıtırken kendisi soğuyor. Bu yüzden çayı çok bekletirseniz soğuk içmek zorunda kalıyorsunuz.
Soğuk havada üşümemizin nedeni de bu… Sağlıklı bir insanın vücut sıcaklığı 36 derecedir ve -10 derecede soğuk havaya çıkarsak üşürüz. Çünkü vücudumuzdaki sıcaklık dışarıya akar ve biz üşüyüp soğurken hava ısınır. Tabii küçük vücudumuzun sıcaklığı açık havayı fark edilir ölçüde ısıtmaya yeterli olmaz. Bu yüzden hava bizden ısı çekmeye devam eder ve biz de sıkı giyinmezsek daha fazla üşürüz.
Kapalı odada kalorifer yaktığımızda ise bu sefer kaloriferler üşür. Radyatörler ısıyı odaya vererek odamızı ısıtır ama radyatörleri sürekli sıcak su ile beslediğimiz için, kalorifer kaybettiği ısıyı dış kaynaktan, örneğin apartmanın kazanından alarak evimizi ısıtmayı sürdürür.
Mutlak sıfır, atomların en düşük enerji düzeyinde bulunmasıdır (hiç titrememesi)
Sonsuz sıcaklık kavramına geri dönelim… Sıcaklığın atomların titreme hızı olduğunu söyledik. Atomlar ne kadar hızlı titrerse birbirlerinden o kadar hızlı uzaklaşırlar. Nitekim suyu yeteri kadar ısıtırsak farklı su molekülleri arasındaki kimyasal bağlar (elektron bağları) kopar ve su buharlaşır.
Suyu daha da ısıtırsak su molekülleri parçalanır ve su, oksijen ile hidrojen atomlarına ayrılır. Bu atomları daha da ısıtırsak protonlar ve elektronlar birbirinden ayrılarak atomlar parçalanır (nükleer fizyon).
Protonları daha fazla ısıtırsak onlar da kendilerini meydana getiren kuarklara ayrılır ve evreni meydana getiren maksimum sıcaklık olan (sonsuz sıcaklık?) Büyük Patlamaya kadar bu böyle devam eder.
Şimdi sıcaklığı çember üzerinde ölçtüğümüz grafiği inceleyelim… Resimdeki çemberde sıcaklık artıkça dairenin üst yarısını saat yönünde parmağınızla izlerseniz, döner dolaşır ve parmağınızla başlangıç noktasına geri dönersiniz. Parmağınız dairenin alt yarısına yaklaştıkça sıcaklık azalır. Üst yarısındaki tepe noktasına yaklaştıkça sıcaklık artar.
Termodinamik yasaları da bunu söyler. Isınan cisimler çevreyi ısıtarak soğumaya çalışırlar. Peki, mutlak sıfırın altındaki cisimler ne yapar?
Bu kez parmağınızı çemberin alt yarısından, sol alt dilimden başlatın ve saatin tersi yönünde çemberi izleyin. Sıcaklık düştükçe daire yuvarlak olduğu için parmağınızla yukarı çıktığınızı, yani sıcaklık mutlak sıfırın altına indikten sonra, sıcaklığın daha fazla azalmak yerine artmaya başladığını göreceksiniz!
Çünkü sıcaklık azaldıkça, siz halkayı takip ederken, parmağınız çemberin üst yarısına ve pozitif sıcaklık derecelerine geçecek.
Bunun fizikte bir anlamı var…
Nasıl ki mutlak sıfırın üstündeki cisimler etrafı ısıtarak soğumaya çalışıyor, mutlak sıfırın altındaki atomlar da etraftı soğutarak ısınmaya çalışıyor. Demek ki mutlak sıfırdan daha soğuk olan atomlar, düşük enerji düzeyinden yüksek enerji düzeyine geçmeye çalışıyor.
Yalnız, mutlak sıfırın altındaki negatif sıcaklıklar (eksi sıcaklıklar) sadece laboratuvar ortamında mümkündür. Evrenimizin hiçbir yerinde, galaksiler arasındaki soğuk boşlukta bile mutlak sıfırdan daha soğuk atomlar bulunmaz. Çünkü bu atomlar hemen ısınma eğilimi gösterecektir. Bilim adamlarının, atomları mutlak sıfırın altına çekmek için, dışarıdan enerji çeken lazer ışınları kullandılar.
Devridaim makineleri
Negatif sıcaklıklar, evrenimizdeki enerjiyi kullanmak yerine, uzay boşluğundan enerji çekerek çalışan ve bu yüzden bedava enerji kullanan devridaim makineleri imal etmekte kullanılabilir ama acaba gerçekten öyle mi? Boşluktan enerji çeken ve enerjiyi bedava getiren bir makine, gerçekten yüzde 100’den daha verimli olan bir devridaim makinesi midir?
Yazının ikinci bölümünde devridaim makinelerini anlatıyorum. Okumak için tıklayabilirsiniz.