Teplota je prejavom neusporiadaného pohybu častíc. Čím nižšia, tým menej sa častice hýbu. Môžu sa úplne zastaviť? A chceme to?
Začiatkom 18. storočia francúzsky fyzik Guillaume Amontons zistil, že pri stálom objeme plynu tlak aj teplota priamo úmerne klesajú. Na základe tohto zistenia vyslovil ako prvý domnienku, že existuje najnižšia teplota vzduchu, ktorá nastane pri nulovom tlaku. Odhadol ju na −240 °C, čo nie je veľmi ďaleko od jej presnej hodnoty – absolútnej nuly, ktorá má hodnotu −273,15 °C.
Absolútnu nulu si predstavujeme ako úplné zastavenie sveta molekúl a atómov. Táto predstava je však v rozpore s kvantovou fyzikou. Konkrétne kvantová neurčitosť v rýchlosti a polohe nedovoľuje časticiam naozaj zamrznúť. Kvantové systémy sú v pohybe aj pri absolútnej nule.
Nula nie je nuda
Pri chladení odoberáme zo systému energiu. Pri absolútnej nule už nie je čo odoberať. Systém má podľa definície najnižšiu možnú energiu, a preto nemôže už žiadnu ďalšiu energiu stratiť. Kvantový systém zamrzne v tzv. základnom energetickom stave, no ostatné vlastnosti (polohy, rýchlosti atď.) nenadobudnú presné (nulové) hodnoty. Nemôžeme povedať, že by bol kvantový systém pri nulovej teplote bez pohybu.
Vďaka kvantovosti nulová teplota nie je nuda, ale práve naopak. A na scéne sú supravodivosť, supratekutosť, Boseho-Einsteinov kondenzát, supersklo – všetko zvláštnosti, ktoré sme objavili iba vďaka nízkym teplotám a kvantovej fyzike. Aj mnohé iné vlastnosti systémov (chemické, magnetické, elektrické, optické) vieme vysvetliť vďaka poznaniu základného energetického stavu a kvantovosti systému.
Teplota úzko súvisí s kvantovosťou systému. Systémy sú pri vyšších teplotách v menej kontrolovateľnom prostredí. Hovoríme o termálnom šume, ktorý potláča kvantové interferenčné prejavy a pri bežných teplotách kvantové prejavy typicky nepozorujeme. Naopak, veľmi nízke teploty sú garanciou, že kvantové vlastnosti sú v systéme prítomné.
Smerom k nule
Presnú hodnotu absolútnej nuly experimentálne určil škótsky fyzik lord Kelvin z Largsu (vlastným menom William Thomson) v roku 1848. Tretí termodynamický zákon hovorí, že v podstate nie sme schopní takúto teplotu dosiahnuť. Ako blízko sa však k nule vieme dostať?
Michael Faraday úspešne skvapalňoval známe plyny a dosiahol teploty −130 °C. Veril, že niektoré z nich (napr. kyslík, dusík a vodík) sa skvapalniť vôbec nedajú. Mýlil sa. V roku 1883 Zygmunt Wróblewski a Karol Olszewski na Jagelovskej univerzite v Krakove ako prví skvapalnili dusík a kyslík. Držali nízkoteplotný rekord −225 °C. V roku 1898 James Dewar v Londýne dosiahol teplotu −252 °C a skvapalnil vodík.
Skvapalniť hélium sa podarilo o desať rokov neskôr fyzikovi Heikemu K. Onnesovi na univerzite v holandskom Leidene. Navyše pri teplote tekutého hélia −269 °C pozoroval stratu elektrického odporu medi a objavil supravodivosť. Podarilo sa mu dosiahnuť teplotu −271,65 °C, čím ako prvý dosiahol teplotu nižšiu, ako je teplota medzihviezdneho priestoru, t. j. −270,45 °C.
Celý článok nájdete v časopise Quark 1/2026.
Vďaka predplatnému si ho však môžete dočítať už teraz a získať aj prístup k exkluzívnemu obsahu!
Máte predplatné?
Prihlásiť saFyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov wikipédia, archív QUTE.sk
