آیا رسیدن به صفر مطلق ممکن است؟

صفر مطلق کمترین دمای تئوری ممکن است که دانشمندان آن را برابر با منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد تعریف کرده‌اند. این دما حتی از دمای فضای خارجی کمتر است و هیچ چیزی که تاکنون می‌شناسیم به صفر مطلق نرسیده است؛ اما آیا رسیدن به این دمای انجماد ممکن است؟

برای پاسخ به پرسش فوق در ابتدا باید مفهوم دما را بررسی کنیم. معمولا دما را معیاری برای میزان سردی یا داغی یک شیء می‌دانیم، اما دما در واقع مقیاسی برای انرژی و نوسان‌های ذرات داخل یک سامانه است. اشیای داغ انرژی بیشتری دارند، بنابراین ذرات آن‌ها با سرعت بیشتری نوسان می‌کنند. به نقطه‌ای که ذرات به‌طور کامل از حرکت بایستند، صفر مطلق می‌گویند.

دانشمندان اشتیاق زیادی برای رسیدن به دماهای پائین دارند، زیرا با کند شدن حرکت ذرات، با آثار کوانتومی جالبی روبه‌رو می‌شوند. یکی از اصول بنیادی مکانیک کوانتوم، دوگانگی ذره-موج است. بر اساس این پدیده، یک ذره مثل فوتون نوری می‌تواند به شکل یک ذره یا موج رفتار کند.

هنگام کار با ذرات مکانیک کوانتومی باید به «تمیزناپذیری» آن‌ها توجه کنیم؛ بر اساس این اصل در مقیاس کوانتومی بر خلاف مقیاس اشیای بزرگ‌تر، امکان ردیابی ذرات یا موج‌ها به صورت مستقل وجود ندارد. منشأ این اصل به اصل معروف عدم قطعیت هایزنبرگ بازمی‌گردد که به احتمالی‌بودن اندازه‌گیری در مکانیک کوانتوم اشاره دارد. بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ وقتی موقعیت یک ذره به صورت دقیق اندازه‌گیری شود، تکانه‌ی آن با دقت کمتری مشخص می‌شود. این خاصیت احتمالی باعث ایجاد ماهیت موج‌مانند ذره‌ی مکانیک کوانتومی می‌شود.

میزان گسترش رفتار موج‌مانند کوانتومی را می‌توان بر اساس نسبت طول موج گرمایی دوبروی و فاصله‌ی بین ذره‌ای تعریف کرد. این رفتار کوانتومی در دماهای عادی جزئی است، اما آثار عجیب آن با سرد شدن ذره‌ها خود را نشان خواهند داد.

آزمایش‌های اولیه‌ی فراسرد در دهه‌ی ۱۹۹۰ از تکنیکی موسوم به سرمایش لیزری برای بررسی پدیده‌های کوانتومی استفاده می‌کردند. به این منظور، نور نیرویی را بر اتم‌ها وارد می‌کند که باعث کندشدن آن‌ها و رسیدن به دماهای سرد در حدود یک کلوین (منفی ۲۷۲٫۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد) می‌شود. این دما برای مشاهده‌ی رفتار کوانتومی در جامدات و مایعات کافی است اما برای بررسی گازها به دماهای نانوکلوینی نیاز داریم.

گروهی آلمانی در سال ۲۰۲۱ موفق شدند به کمترین دمای ثبت‌شده برسند. این گروه اتم‌های گازی مغناطیسی شده را از برجی ۱۲۰ متری به پائین انداختند. آن‌ها برای کند کردن ذرات و توقف کامل آن‌ها به صورت پیوسته میدان مغناطیسی را خاموش و روشن می‌کردند. در این نوع آزمایش که به سردسازی دام مغناطیسی معروف است، ذره‌های گازدار به دمای حیرت‌انگیز ۳۸ تریلیونیم درجه‌ی سلسیوس بالای صفر مطلق رسیدند. در این دما می‌توان پدیده‌های کوانتومی را در گازها مشاهده کرد.

بنابراین آیا می‌توان اشیا را بیشتر از این دما سرد کرد؟ احتمالا خیر. در واقع ما بیشتر به پدیده‌های کوانتومی علاقه‌مندیم تا صرفا رسیدن به صفر مطلق. اتم‌های سردشده لیزری معمولا در ساعت‌های اتمی و کامپیوترهای کوانتومی کاربرد دارند. رسیدن به دماهای پائین‌تر هنوز در دست بررسی است.

در واقع حتی اگر بتوانیم به صفر مطلق برسیم، قطعا به دلیل روش‌های اندازه‌گیری غیردقیق نمی‌دانیم به این دما رسیده‌ایم. با ابزارهای فعلی نمی‌توان گفت صفر مطلق کجاست. برای اندازه‌گیری صفر مطلق به دماسنج بی‌نهایت دقیق نیاز داریم که بسیار فراتر از سیستم‌های اندازه‌گیری کنونی است.