سردتر از زمهریر

ولی اگر واحد سلسیوس را کنار بگذاریم و اندازه‌‌گیری را در واحد کلوین انجام دهیم، خبر رسیدن به دمای منفی بدون تردید دانشمندان را از جا خواهد کند و به مرز تردید و شگفتی خواهد برد؛ کاری که اخیرا محققان دانشگاه مونیخ آلمان موفق به انجام آن شدند. اما دلیل این شگفتی چیست؟

از نظر علمی، دمای یک گاز با مقدار حرکت نامنظم ذرات آن رابطه مستقیم دارد. هرچه انرژی حرکتی ذرات گاز بیشتر باشد و ذرات با انرژی بیشتری به یکدیگر برخورد کند، دماسنج دمای بیشتری را نشان می‌دهد و هر چه گاز را سردتر کنیم و انرژی حرکتی ذرات آن را بگیریم، ذرات، آهسته‌تر حرکت می‌کند و بی‌نظمی حرکت آنها کاهش می‌یابد.

اگر سرد‌کردن ماده با همین روش ادامه یابد و حرکت ذرات کندتر شود، به نقطه‌ای می‌رسیم که ذرات همه انرژی حرکتی خود را از دست می‌دهند و بدون حرکت در جای خود ثابت می‌مانند. این نقطه سردترین دمای ممکن است و چون گرمایی وجود ندارد که از ذرات گرفته شود، نمی‌توان جسم را سردتر کرد. در مقیاس کلوین، به این حد نهایی سردی ماده، صفر مطلق یا صفر کلوین می‌گویند و برابر است با 15‌‌‌/‌‌‌273‌ـ‌ درجه سلسیوس. حالا می‌دانیم که چرا پذیرفتن خبر دستیابی به دماهای منفی صفر درجه کلوین این قدر مشکل است. بنابراین روزی که گزارش هواشناسی دمای هوا را 3‌ـ‌ درجه اعلام می‌کند، دما در مقیاس کلوین 270+ درجه است. کمترین دماهایی که دانشمندان توانسته‌اند به آن دست پیدا کنند چند هزار میلیونیم درجه بالای صفر مطلق بوده است.

اما در دماهای نزدیک به صفر مطلق ذرات گاز در چه شرایطی قرار دارد؟ اگر ذرات را به تیله‌های شیشه‌ای و سطح انرژی را به سطحی دارای پستی و بلندی تشبیه کنیم، در این دما بیشتر ذرات در پستی‌ها و با کمترین انرژی و درصد کمتری از آنها در دامنه‌ها و بر بالای بلندی قرار می‌گیرد. توجه داشته باشید که هنوز تا صفر مطلق فاصله اندکی داریم؛ بنابراین ذرات هنوز مقدار ناچیزی انرژی حرکتی دارد و به آرامی در جای خود حرکت می‌کند. این مدل توزیع ذرات، توزیع بولتسمان نامیده می‌شود.

اگر در این حالت بتوانیم گاز را سردتر کنیم همه ذرات در عمق پستی‌ها بدون هیچ حرکتی ثابت می‌ماند. اگر گاز را گرم کنیم، ذرات انرژی گرمایی را جذب می‌کند و به جنب و جوش می‌افتد. با افزایش انرژی حرکتی، ذرات کم‌کم از پستی‌ها بیرون می‌آید و با استفاده از انرژی به دست آمده از بلندی بالا می‌رود. بی‌نظمی ذرات در این حالت با گذشت زمان افزایش می‌یابد. این روند معمول تبادل انرژی گرمایی و تاثیر آن بر ذرات است.

در این آزمایش چه گذشت؟

در این آزمایش، دانشمندان حدود صد هزار اتم پتاسیم را در اتاقک خلأ تا چند هزار میلیونیم درجه بالای صفر مطلق سرد می‌کنند. حرکت ذرات به قدری کند می‌شود که می‌توان آنها را با پرتوهای لیزر و آهنرباهای ویژه به دام انداخت. خلأ کامل از هرگونه واکنش گرمایی ذرات با محیط جلوگیری می‌کند.

پرتوهای لیزر یک شبکه نوری ایجاد می‌کند که ذرات با نظم خاصی در آن قرار می‌گیرد. انرژی جنبشی این ذرات درون خانه‌های شبکه محدود می‌شود و هر ذره می‌تواند فقط مقدار محدودی انرژی دریافت کند؛ محدودیت مشابهی هم بر انرژی پتانسیل کل گاز اعمال می‌شود. در حالت معمول اتم‌ها یکدیگر را دفع می‌کند و فشار گاز را مثبت نگه می‌دارد.

دانشمندان در گام بعدی به وسیله لیزر و آهنرباهای موجود، میدان مغناطیسی را به گونه‌ای دستکاری می‌‌کردند که اتم‌های گاز شروع به جذب یکدیگر ‌کنند. انتظار داریم در این حالت، نیروی جاذبه ایجاد شده میان اتم‌ها آنها را به یکدیگر بچسباند و گاز دچار فروپاشی شود.

لحظه شگفتی فرا رسیده و گاز به جای این‌که دچار فروپاشی شود، به طور ناگهانی همه ذرات خود را در بالاترین حد انرژی ممکن قرار می‌داد. در زمان کوتاهی همه اتم‌ها به حد نهایی انرژی خود می‌رسید. در این شرایط تقریبا همه گلوله‌های شیشه‌ای مدل فرضی‌مان در بالای تپه قرار گرفت و بی‌نظمی کاهش یافت و کاهش بی‌نظمی یعنی کاهش دما. در واقع در این حالت مدل توزیع بولتسمان برعکس شده و ذرات درحالی‌ ‌که در بالاترین سطح انرژی قرار دارد به دلیل نبود ارتباط با محیط قادر به از دست دادن انرژی نیست.

ذرات دیگر هم درست همین حالت را دارد، بنابراین انرژی از یک ذره به ذره دیگر هم منتقل نمی‌شود. این حالت کوانتومی عجیب، فشار گاز را منفی می‌کند و با ایجاد نیروی ضد جاذبه مانع فروپاشی آن بر اثر نیروی جاذبه می‌شود.

اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که در این شرایط سیستم، دمای منفی چندهزار میلیونیم درجه کلوین را تجربه می‌کند. در این حالت نمی‌توانیم از عبارت زیرصفر به‌‌‌جای منفی استفاده کنیم؛ چراکه دمای منفی صفر درجه کلوین از صفر درجه کلوین گرم‌تر است. به هرحال براحتی نمی‌توان با نتایج آزمایش‌های علمی کلنجار رفت و باید پذیرفت که دنیای شگفتی‌های علم یک‌بار دیگر بر باورهای قراردادی و روزمره ما خط بطلان کشیده است.

در واقع دانشمندان توانسته‌اند پیوستگی دما را شکسته و بدون رسیدن به صفر مطلق از آن عبور کنند و به منفی صفر درجه برسند. این آزمایش را نمی‌توان با آب یا هر ماده معمولی دیگری انجام داد. زمان پایداری این سیستم کوانتومی گازی در دمای منفی بسیار کوتاه و فقط در حد چند صد هزارم ثانیه است.

نتایج این دستاورد جدید علمی

سیستم دمای منفی در تعامل با یک جسم گرم‌تر از خودش به دلیل تمایل به افزایش بی‌نظمی که خصوصیت ذاتی همه سیستم‌های گرمایی است، بازهم گرما از دست می‌‌‌دهد تا بتواند ذرات خود را در حالت‌های مختلف انرژی قرار دهد.

در این حالت مجبور نیستیم به ماشین حرارتی انرژی گرمایی تزریق کنیم تا گرم‌تر شود و این گرما را از یک جسم سردتر تامین می‌کنیم. این به معنای دست یابی به ماشینی با بازده بیش از صددرصد بدون نقض قانون پایستگی انرژی است.

دمای منفی و انرژی تاریک

اگر ساختارهای کیهانی مانند خوشه‌های کهکشانی و کهکشان‌ها را به ذرات گاز و نیروی جاذبه را به نیروی کشش ایجاد شده توسط لیزر و آهن رباهای سیستم تشبیه کنیم، معادل نیروی ضد جاذبه‌ای که با ایجاد فشار منفی مانع فروپاشی گاز شد در عالم هستی انرژی تاریک نام دارد که مانع فروپاشی عالم هستی بر اثر نیروی جاذبه می‌شود. محققان امیدوارند با استفاده از تشابه یاد شده بتوان سرانجام راهی برای ورود به قلعه مرموز و نفوذناپذیر نیروی غالب عالم هستی یعنی انرژی تاریک بیابند.

مسعود توکلی - جام‌جم