Absoluuttinen nollapiste

Absoluuttinen nollapiste on materian lämpötilan alaraja, jossa atomien lämpöliike lakkaa. Se on 0 kelviniä eli −273,15 celsiusastetta. Absoluuttinen lämpötila ilmoitetaan asteikolla, jossa absoluuttinen nollapiste on nollakohdassa kelvinasteikon tavoin. Absoluuttinen nollapiste on sekä teoriassa että käytännössä mahdoton saavuttaa. Se merkitsisi, että atomit olisivat täysin pysähtyneet, elektronit alimmilla energioillaan ja kide täysin järjestäytynyt. Matalin koskaan saavutettu lämpötila on ollut kuitenkin varsin lähellä nollaa, vain 100 pK (0,000 000 000 1 K). Tämä ennätys saavutettiin vuonna 2000 Teknillisessä korkeakoulussa Espoossa.

Määritelmä

Absoluuttisen nollapisteen merkitys voidaan ymmärtää kahdella eri tavalla. Kokeellinen merkitys absoluuttiselle nollapisteelle saadaan tutkimalla ideaalikaasun käyttäytymistä kylmässä. Jos kaasun lämpötilaa lasketaan sen tilavuuden pysyessä vakiona, kaasun paine pienenee. Kuvaaja kaasun tilavuudesta lämpötilan funktiona on suora, joka tietyssä lämpötilassa leikkaa tilavuusakselin. Osoittautuu, että kaikille kaasuille tämä lämpötila on sama, −273,15 °C. (Käytännössä kaikki kaasut kuitenkin nesteytyvät ennen tätä lämpötilaa, jolloin edellä kuvattu suora katkeaa.) Absoluuttinen lämpötila voidaan määritellä käyttämällä tätä pistettä nollapisteenä, kuten SI-järjestelmässä tehdään. Lämpötilan yksikkö kelvin määritellään yhdeksi 273,16:s-osaksi absoluuttisen nollapisteen ja veden kolmoispisteen välisestä lämpötilaerosta, mikä on myös celsiusasteen määritelmä.
Termodynamiikan teoreettisessa rakennelmassa lämpöoppia ei rakenneta kineettisen kaasuteorian vaan kolmen pääsäännön, aksiooman, pohjalta. Termodynamiikan kolmannen pääsäännön mukaan virheettömässä kidehilassa olevan aineen entropia on nolla absoluuttisessa nollapisteessä, mistä seuraa, että absoluuttista nollapistettä ei voida saavuttaa.
Termodynamiikan käsitejärjestelmässä lämpötila ei ole perussuure, vaan perussuureita ovat entropia S ja sisäenergia U, jotka ovat merkityksellisiä myös mikroskooppisella tasolla. Lämpötila puolestaan on määritelty vain likimain tasapainossa oleville makroskooppisille järjestelmille. Lämpötila määritellään käänteisarvona entropian derivaatasta sisäenergian suhteen:

Negatiivisen lämpötilan saavuttaminen

Määritelmä yleistää lämpötilan kaikkiin tilanteisiin. Useimmissa järjestelmissä kappaleilla voi olla miten paljon energiaa hyvänsä, jolloin energian tuominen lisää aina epäjärjestystä eli entropiaa systeemissä. Näiden systeemien lämpötila on siis aina positiivinen. On kuitenkin järjestelmiä, joilla on selkeä energiamaksimi, esimerkiksi kiteen atomien magneettisten momenttien muodostama systeemi. Korkein sen energia on silloin, kun kaikkien atomien magneettiset momentit ovat ulkoista kenttää vastaan. Tällaisia tiloja on kuitenkin vain yksi ainoa, jolloin tilan entropia on hyvin matala. Energian vähentäminen systeemistä tuo useita vaihtoehtoisia tiloja, joilla on tällainen energia, jolloin systeemin entropia kasvaa. Edellä esitetyn määritelmän mukaan tässä tilassaan kidesysteemillä on siis negatiivinen, absoluuttista nollapistettä alempi, lämpötila. Järjestelmä, jonka lämpötila on alempi kuin absoluuttinen nollapiste, ei kuitenkaan ole absoluuttista nollapistettä kylmempi. Paremminkin negatiivisen lämpötilan omaava järjestelmä on kuumempi kuin mikään positiivisen lämpötilan omaava järjestelmä siinä suhteessa, että jos negatiivisen ja positiivisen lämpötilan omaavat järjestelmät joutuvat toistensa yhteyteen, lämpöä siirtyy negatiivisen lämpötilan järjestelmästä positiiviseen. On kuitenkin huomattava, että millään arkielämän järjestelmällä ei ole tällaista ominaisuutta.
Aiheen uusinta tutkimustulosta odotetaan.

Haasteet

Mikroskooppisella tasolla on mahdotonta pysäyttää atomien värähtelyjä täysin. Tämä johtuu perimmältään siitä, ettei aine ole klassisen fysiikan mukaista pistemäistä ja täydellisesti määriteltyä, vaan sitä voi kuvata vain todennäköisyyttä mallintavalla aaltofunktiolla. Aine noudattaa Heisenbergin epätarkkuusperiaatetta, jolla on se erityistapaus, että sekä liikemäärä että paikka eivät voi olla tarkasti määritelty yhtä aikaa. Liikemäärän täydellisesti määrittelevä aaltofunktio ei kerro mitään paikasta, ja toisin päin. Jos lämpötila olisi absoluuttinen nolla, jokainen atomi olisi täsmälleen paikallaan, eli jokaisesta atomista olisi tiedossa sekä liikemäärä että paikka. Niinpä yritys pitää atomit täsmälleen paikallaan lisää niiden nopeuden jakautumista laajemmalle vaihtelualueelle, ja yritys pysäyttää atomit täysin lisää niiden paikan jakautumista useampaan mahdolliseen paikkaan. Absoluuttiseen nollaan ei siis päästä.