Το πιο παγωμένο μέρος του Σύμπαντος είναι πολύ πιο κοντά από ότι νομίζετε!

Το πολύ ενδιαφέρον άρθρο της Κατερίνας Δήμα μας περιγράφει πού θα βρούμε χαμηλές θερμοκρασίες στο διάστημα, όμως το πιο παγωμένο μέρος του Σύμπαντος είναι πολύ πιο κοντά από ό, τι νομίζετε!

To πιο παγωμένο αντικείμενο εκτός του ηλιακού μας συστήματος (για την ακρίβεια 5,000 έτη φωτός μακριά) είναι το νεφέλωμα Boomerang, το οποίο έχει θερμοκρασία 3 βαθμούς Κέλβιν (δηλαδή περίπου -270 βαθμούς Κελσίου). Εντός του ηλιακού μας συστήματος, λογικά θα περιμέναμε ότι το πιο παγωμένο σημείο θα ήταν πολύ απομακρυσμένο από τον Ήλιο. Για παράδειγμα, η επιφάνεια του Πλούτωνα είναι περίπου 43 Κέλβιν (-230 βαθμοί Κελσίου) στο πιο κρύο της σημείο. Κι όμως, το πιο παγωμένο σημείο στο ηλιακό μας σύστημα μέχρι στιγμής έχει βρεθεί στον κρατήρα Hermite (από τον Charles Hermite, Γάλλο μαθηματικό) στον Βόρειο Πόλο του φεγγαριού, η θερμοκρασία του οποίου είναι 26 Κέλβιν (-247 βαθμοί Κελσίου).

Στο φεγγάρι λοιπόν βρίσκεται το πιο παγωμένο σημείο του ηλιακού συστήματος; Ναι, αν εξαιρέσουμε τον δικό μας πλανήτη, τη Γη! Γιατί μπορεί η πιο χαμηλή θερμοκρασία που έχει καταγραφεί στη φύση να είναι -89.2 βαθμοί Κελσίου (στην Ανταρκτική), αλλά στο εργαστήριο τα διαστημικά ρεκόρ έχουν σπάσει προ πολλού.

To 1908, o Ολλανδός Φυσικός Heike Kamerlingh Onnes κατάφερε να υγροποιήσει το αέριο ήλιο παγώνοντας το σε θερμοκρασία 0.9 Κέλβιν (-272.25 βαθμούς Κελσίου). Αυτό σημαίνει ότι το εργαστήριο του στο Leiden στην Δυτική Ολλανδία ήταν το 1908 το πιο παγωμένο μέρος στο Σύμπαν! Έκτοτε φυσικοί στον τομέα των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών έχουν σπάσει πολλαπλά αυτό το ρεκόρ φτάνοντας στα 100 πικο-Κέλβιν, δηλαδή 0.0000000001 Kέλβιν (δέκα μηδενικά είναι αυτά, για να μην τα μετράτε στην οθόνη του υπολογιστή). Αυτό ισοδυναμεί με -273.1499999999 βαθμούς Κελσίου. Δεκάδες εργαστήρια πολύ χαμηλών θερμοκρασιών ανά τον πλανήτη συνεχίζουν να προσπαθούν να πλησιάσουν όλο και πιο κοντά στο απόλυτο μηδέν, και διεκδικούν επάξια τον τίτλο του πιο παγωμένου σημείου του Σύμπαντος.

Τι είναι το απόλυτο μηδέν και γιατί αυτή η επιμονή να το φτάσουμε;

Όπως λέει και η Κατερίνα στο άρθρο της, θερμοκρασία είναι το μέγεθος που μετρά την μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων (ατόμων, μορίων, ιόντων) της ύλης. Όσο πιο πολλή θερμότητα (ενέργεια) απορροφάται από ένα σώμα, τόσο πιο έντονα κινούνται τα σωματίδια που το αποτελούν, επομένως αυξάνεται η θερμοκρασία του. Το απόλυτο μηδέν είναι μια θεωρητική θερμοκρασία: εάν ποτέ ένα σύστημα έφτανε στο απόλυτο μηδέν, τότε αυτό θα σήμαινε ότι τα σωματίδια που το αποτελούν θα είχαν μηδενική κινητική ενέργεια. Αυτό το σύστημα θα ήταν απόλυτα απομονωμένο από το υπόλοιπο Σύμπαν, κάτι που είναι πρακτικά αδύνατον. Αυτό που μπορούμε να κάνουμε είναι να το πλησιάζουμε όλο και πιο πολύ, άρα να αυξάνουμε τον αριθμό των μηδενικών στο 0.0000000001 Κέλβιν, καθώς θα φτάνουμε όλο και πιο κοντά στο 0 Κέλβιν.

Και αφού δεν είναι δυνατόν να το φτάσουμε, γιατί προσπαθούμε να πάμε όλο και πιο χαμηλά; Γιατί έχει αναπτυχθεί ολόκληρος τομέας Φυσικής Πολύ Χαμηλών Θερμοκρασιών (Ultra-Low Temperature Physics); Επειδή στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες παρατηρούμε νέες κβαντικές καταστάσεις της ύλης και συναρπαστικά φαινόμενα – είναι ένα πεδίο στο οποίο ανακαλύπτουμε συνεχώς νέα φυσική και το οποίο παράλληλα οδηγεί σε πολλές εφαρμογές. Ίσως η πιο γνωστή από όλες αυτές τις ανακαλύψεις και τις εφαρμογές της, είναι η υπεραγωγιμότητα.

Τι είναι η υπεραγωγιμότητα;

O Heike Kamerlingh Onnes, αφού έφτασε στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, στην συνέχεια μέτρησε εκεί την ηλεκτρική αντίσταση του υδραργύρου. Προς μεγάλη του έκπληξη, στα 4.2 Κέλβιν (-268 βαθμοί Κελσίου) η αντίσταση μηδενίστηκε! Το ηλεκτρικό ρεύμα διέτρεχε τον υδράργυρο χωρίς να βρίσκει πουθενά αντίσταση. Ο πρώτος υπεραγωγός είχε ανακαλυφθεί. Το 1913 o Heike κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής για την έρευνα του στις χαμηλές θερμοκρασίες.

Η υπεραγωγιμότητα έχει πάρα πολλές εφαρμογές, με πιο γνωστή το φαινόμενο Meissner. Κατά το φαινόμενο αυτό οι μαγνητικές γραμμές ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου δεν μπορούν να περάσουν από το εσωτερικό του υπεραγωγού. Αν βάλουμε τον υπεραγωγό σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο σε χαμηλές θερμοκρασίες τότε θα δημιουργηθούν επιφανειακά υπεραγώγιμα ρεύματα τα οποία έχουν ως αποτέλεσμα να δημιουργείται γύρω από τον υπεραγωγό ένα μαγνητικό πεδίο που αντιτίθεται στο αρχικό.

Αν π.χ. το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο οφείλεται σε έναν μαγνήτη και πάμε να ακουμπήσουμε τον υπεραγωγό πάνω του σε χαμηλές θερμοκρασίες, τότε ο υπεραγωγός θα αιωρηθεί πάνω από τον μαγνήτη λόγω της απωστικής δύναμης που θα ασκηθεί από το αντίθετο μαγνητικό πεδίο. Μπορείτε να δείτε το φαινόμενο στο gif παρακάτω, το οποίο είναι από επίδειξη πειραμάτων στο Τμήμα Φυσικής του Royal Holloway, University of London. Ο Δρ. Andrew Casey τοποθετεί τον υπεραγωγό μέσα σε υγρό άζωτο για να κατεβάσει τη θερμοκρασία του. Στην συνέχεια τον βάζει να αιωρηθεί πάνω από ένα μαγνήτη.

Τα διάσημα Maglev τρένα της Ιαπωνίας χρησιμοποιούν το φαινόμενο Meissner για να φτάσουν τα 505 χιλιόμετρα την ώρα! Άλλες εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας είναι ο μαγνητικός τομογράφος, οι μαγνήτες που κάνουν τις δέσμες των σωματιδίων να στρίβουν στον μεγάλο κυκλικό επιταχυντή του CERN, και τα υπεραγώγιμα qubits (κβαντικά «μπιτ»), τα οποία είναι η βάση πάνω στην οποία χτίζονται οι κβαντικοί υπολογιστές.

Εδώ και πάνω από έναν αιώνα, η έρευνα στις χαμηλές θερμοκρασίες συνεχίζεται και οι ανακαλύψεις της έχουν φέρει 14 βραβεία Νόμπελ μέχρι στιγμής (1913, 1962, 1972, 1973, 1978, 1985, 1987, 1996, 1998, 2001, 2003, 2012, 2016) και το μέλλον φαίνεται πολλά υποσχόμενο.

Αν θέλετε να ανακαλύψετε περισσότερα για την Φυσική Πολύ Χαμηλών Θερμοκρασιών, η σχετική διάλεξη του Dr Andrew Casey έχει γίνει podcast εδώ (στα αγγλικά).