دما چقدر می تواند پایین بیاید؟ لرد کلوین و علم صفر مطلق

دما احتمالاً بعد از زمان دومین کمیت فیزیکی اندازه‌گیری‌شده در دنیای مدرن ما است.

وقتی صبح از خواب بیدار می‌شوم، اولین چیزی که معمولاً بررسی می‌کنم زمان است (تا ببینم آیا باید دوباره بخوابم یا نه)، اما دومین چیزی که بررسی می‌کنم دمای بیرون است (تا بدانم چگونه لباس بپوشم).

دما آنقدر رایج است که گاهی اوقات اهمیت آن را فراموش می کنیم. از کشاورزی لبنی گرفته تا موشک، از علم آب و هوا تا پیش بینی آب و هوا، بسیاری از چیزها نیاز به دانش دقیق دما دارند.

واحد متریک (SI) برای دما، کلوین نامیده می شود لرد کلوین، که امروز تولد 200 سالگی او را جشن می گیریم.

لرد کلوین و علم اولیه دما

لرد کلوین، یا ویلیام تامسون، در آن زمان در زمینه نوظهور ترمودینامیک کار کرد – تبدیل گرما به حرکت دینامیکی. او این کار را هم در دوران دانشجویی در دانشگاه کمبریج و هم به عنوان استاد جوان در دانشگاه گلاسکو انجام داد. او به همراه همکار نزدیک خود، جیمز ژول، در مورد انواع مشکلات تحقیق کرد ترمودینامیکاز جمله مقیاس های دما.

در آن زمان، مقیاس پذیرفته شده علمی برای دما، مقیاس سلسیوس بود، دمای صفر نقطه انجماد آب و 100 درجه نقطه جوش آب بود. اما پس از مطالعه چگونگی تغییر حجم و فشار گازها در پاسخ به تغییر دما، تامسون، ژول و دانشمندان دیگر متوجه شدند که سردترین دمای مطلق که می شد به آن رسید.

برای درک اینکه چگونه آنها به این نتیجه رسیدند، گازی را در یک بالون در نظر بگیرید. اگر بادکنک را خنک می‌کردید، گاز داخل بالن فشار کمتری به خود بالون و جو بیرون آن وارد می‌کرد و باعث می‌شد که حجم بالون کوچک شود.

باور نمی کنی؟ یک بادکنک را باد کرده و در فریزر خود بچسبانید. وقتی آن را بیرون می آورید، می توانید احساس کنید که بادکنک منبسط می شود. حالا برون یابی کنید: چقدر باید بادکنک را سرد کنید تا حجم آن به صفر برسد (با نادیده گرفتن این واقعیت که گاز داخل در نهایت به مایع متراکم می شود)؟ این باید سردترین دمای ممکن باشد زیرا بالون نمی تواند حجم منفی داشته باشد.

در سال 1848، لرد کلوین از استدلال مشابهی استفاده کرد تا به طور دقیق سردترین دمای مطلق را به صورت منفی 273.15 سانتیگراد (یا منفی 459.67 درجه فارنهایت) محاسبه کند. تقریباً یک دهه دیگر می گذشت تا دانشمندانی مانند لرد کلوین و لودویگ بولتزمن بفهمند که در صفر مطلق، مولکول های گاز از حرکت باز می ایستند.

از سال 2019، هر سه این دانشمندان در SI جاودانه شده اند. کلوین واحد SI دمای ما است که از طریق ثابت بولتزمن، که دما را به انرژی مرتبط می کند که واحد SI آن ژول است.

امروزه، فیزیکدانان اتمی مانند من از تکنیکی استفاده می کنند که تا حدی در NIST پیشگام شده است خنک کننده لیزریکه از لیزر برای خنک کردن ابرهای بین 100000 تا 1 میلیارد اتم تا دمای 100 میکروکلوین استفاده می کند. این دما 1/10000 درجه سانتیگراد بالای صفر مطلق است.

و ما این دماهای فوق سرد را به گونه ای اندازه گیری می کنیم که برای لرد کلوین تعجب آور نباشد (اگرچه ساخت چنین گازهای سردی ممکن است باشد!).

سرعت متوسط ​​اتم های گاز را اندازه می گیریم. محققان در NIST از چنین اتم‌های خنک‌شده با لیزر برای انواع کاربردها، از ساعت‌های اتمی گرفته تا استانداردهای خلاء، استفاده می‌کنند.

استاندارد خلاء

اتم های خنک کننده لیزری تا نزدیک به صفر مطلق فقط در داخل محفظه ای کار می کنند که تقریباً تمام هوا توسط یک پمپ برای جداسازی اتم ها از محیط اطراف خارج شده است. چنین اتاقک های خلاء رایج هستند و در صنایعی مانند ساخت نیمه هادی ها استفاده می شوند.

اکثر اجزای تلفن همراه شما حداقل در یک محفظه خلاء داخل و خارج بوده اند. اجزای اصلی، مانند واحد پردازش مرکزی، احتمالاً از طریق محفظه ای بوده اند که برخی از بهترین خلاءهای روی زمین را تولید کرده است. به ازای هر تریلیون مولکول گازی که در محفظه شروع شد، همه به جز یک مولکول حذف شدند. چنین خلاءهای نفیسی مورد نیاز است زیرا مولکولهای گاز باقیمانده می توانند هم تراشه را آلوده کنند و هم نور فرابنفش را که برای چاپ مدار طراحی شده استفاده می شود پراکنده کنند. این می تواند باعث خراب شدن تراشه شود.

به طور شگفت انگیزی، بهترین راه فعلی برای اندازه گیری چنین خلاءهای خالص استفاده از لوله خلاء است. اما اکنون، اتم‌های خنک‌شده با لیزر در آزمایشگاه من ممکن است بهترین حسگر فشار خلاء بسیار کم روی زمین باشند.

پس از سرد شدن اتم‌های حسگر تا نزدیک به صفر مطلق، اتم‌های حسگر را در یک تله نگه می‌داریم که تماماً از میدان‌های مغناطیسی ساخته شده است. این تله بسیار ضعیف است و فقط می تواند اتم های حسگر فوق سرد را نگه دارد. سنسور خلاء کار می کند زیرا اگر یک اتم حسگر سرد توسط یک مولکول گاز باقی مانده برخورد کند، تقریبا همیشه از تله ضعیف خارج می شود. سرعت انجام این فرآیند بستگی به تعداد مولکول های گازی دارد که پمپ پشت سر گذاشته است. بنابراین، تعیین تعداد مولکول های گاز باقیمانده فقط شامل شمارش تعداد اتم های حسگر است که پس از مدتی باقی می مانند.

این “اتم سرد استاندارد خلاء (CAVS)” یک روش جدید برای اندازه گیری فشار خلاء است که NIST نقش مهمی در توسعه آن ایفا کرده است. ما پیش‌بینی می‌کنیم که از آن برای اندازه‌گیری خلاء فوق‌خالص در ساخت نیمه‌رساناها، رایانه‌های کوانتومی و دیگر آزمایش‌های علمی بزرگ، مانند آزمایشی برای تشخیص برخورد سیاه‌چاله‌های بسیار دور، که به رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) معروف است، استفاده شود.

داشتن استانداردی مانند CAVS که همیشه خوانش فشار خلاء صحیح را ارائه می دهد به این برنامه ها کمک می کند تا محفظه های خلاء بهتری بسازند، مشکلات را تشخیص دهند و قابلیت اطمینان و بهره وری را افزایش دهند.

CAVS تنها آزمایشی است که من می‌دانم که نیاز به اندازه‌گیری همزمان دو دمای بسیار متفاوت دارد: دمای اتم حسگر حدود 100 میکروکلوین (بسیار سرد!) و دمای گاز باقی‌مانده در محفظه خلاء، نزدیک به دمای اتاق 300 کلوین.

فکر می‌کنم لرد کلوین از این که بفهمد دو دمای بسیار متفاوت می‌توانند همزمان وجود داشته باشند، شگفت‌زده می‌شود، و هر دو باید اندازه‌گیری شوند تا یک آزمایش کار کند.

دماسنج

یکی دیگر از تحقیقات جالب اینجا در NIST تلاش برای استفاده از اتم ها یا مولکول ها برای ساختن دماسنج است که در واقع دما را اندازه گیری می کند.

شاید تعجب کنید که منظورم چیست.

به هر حال، شما احتمالاً چندین دماسنج در داخل و اطراف خانه خود دارید، و همه آنها مقداری را در فارنهایت یا سانتیگراد به شما می دهند. اما حقیقت این است همه آنها مقداری را اندازه گیری کنید دیگر کمیت فیزیکی – مانند مقاومت یک سیم پلاتین یا ولتاژ ایجاد شده بین دو فلز غیر مشابه – که به دما بستگی دارد

برای اینکه این دستگاه ها دما را بر حسب فارنهایت یا سانتیگراد بخوانند، باید کالیبره شوند. NIST چنین کالیبراسیون‌هایی را انجام می‌دهد و به احتمال زیاد کالیبراسیون دماسنج در ترموستات خانه شما را می‌توان از طریق مجموعه‌ای از مراحل پیچیده تا NIST ردیابی کرد.

اما ممکن است بتوانیم کل این فرآیند کالیبراسیون را با ساخت دماسنج هایی که مستقیماً دما را اندازه گیری می کنند، با استفاده از تکنیک هایی که لرد کلوین از آنها قدردانی می کند، ساده تر کنیم.

مثلا همکار من دنیل بارکر و من روی استفاده از لیزر برای اندازه گیری توزیع سرعت گاز اتم های روبیدیم در دمای اتاق و بالاتر کار می کنم. این روش که دماسنج داپلر نامیده می‌شود، در مرکز چگونگی درک لرد کلوین دما قرار می‌گیرد.

به همراه همکارم اریک نورگارد، من همچنین در حال کار بر روی دو پروژه در تلاش برای ایجاد یک نوع جدید دماسنج مادون قرمز با استفاده از اتم ها و مولکول ها اگر این تلاش‌ها موفقیت‌آمیز باشند، کالیبراسیون دماسنج‌های ما می‌تواند بسیار آسان‌تر شود و ممکن است پیشرفت‌های علمی دیگر را نیز بیشتر کند.

خنک نگه داشتن آن (بسیار) در آزمایشگاه

من در سال 2012 پس از پایان کار فارغ التحصیلی خود در دانشگاه ییل به عنوان محقق فوق دکترا به NIST آمدم.

به عنوان یک فوق دکتر، من با برخی از سردترین چیزهای جهان کار کردم: میعانات بوز-انیشتین (BECs). مانند CAVS، BECها نیز از اتم های خنک شده با لیزر ساخته شده اند، اما حتی بیشتر از 100 میلیاردم (!) درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده اند.

پس از دوره فوق دکتری، تصمیم گرفتم در NIST بمانم و سعی کنم از تجربیاتم در مورد اتم ها و لیزرهای فوق سرد برای تحقق استانداردهای کاربردی و مفید مانند CAVS استفاده کنم.

وقتی می‌بینم توپ‌های درخشانی از اتم‌های فوق‌سرد را می‌بینم، احساس غرور زیادی به دست می‌آورم – که مطمئنا بازی کردن با آنها سرگرم کننده است – برای حل مسائل اندازه گیری در دنیای واقعی استفاده می شود. من گمان می‌کنم که لرد کلوین با دیدن اندازه‌گیری‌ها و تئوری‌هایش در مورد ترمودینامیک (که احتمالاً کار کردن روی آن‌ها هم سرگرم‌کننده بود) برای ساخت موتورهای بخار کارآمدتر، احساس غرور مشابهی کرده باشد.

تولدت مبارک، لرد کلوین

لرد کلوین فقط صفر مطلق را محاسبه نکرد. پس از کارهای اولیه اش در ایجاد مقیاس های دمای مطلق، او نقش مهمی در تخمگذار آن داشت اولین کابل های تلگراف آن سوی اقیانوس اطلس لرد کلوین همچنین ماشینی را اختراع کرد که جزر و مد را پیش بینی می کرد و قطب نمایی که به نیروی دریایی سلطنتی کمک کرد در دریاها حرکت کنید. در حالی که تحقیقات من کاملاً متنوع نیست، یکی از راه‌هایی که کارم را با هم ترکیب می‌کنم، کار در دمای اتاق و دمای نزدیک به صفر مطلق است.

یکی از چیزهای کلیدی که آموخته ام این است که اندازه گیری دما، همانطور که لرد کلوین آن را فهمید، تقریباً همیشه سخت تر از آن چیزی است که شما فکر می کنید. در حالی که ایده ها سرراست هستند، کارکردن آنها در عمل چالش واقعی است.

و این واقعیت باعث می‌شود که لرد کلوین دقیقاً دمای صفر مطلق را در سال 1848 پیش‌بینی کند، حتی قابل‌توجه‌تر است.

در تولد 200 سالگی او، لحظه ای از آن قدردانی می کنم.