Mutlak Sıfıra Ulaşmak Mümkün mü?

Sabit hacimli, içi hava dolu, kapalı bir kap olduğunu varsayalım. Eğer bir bütün olarak hareket etmiyor ve başka bir sistem üzerinde iş yapmıyorsa, sistemin enerjiye sahip olmadığını düşünebiliriz. Ancak bizim çıplak gözle göremediğimiz atomlar ve moleküller kabın içinde sürekli hareket hâlindedir. Kabın duvarlarıyla ve birbirleriyle çarpışırlar ve enerji alışverişi yaparlar. Bir sistemin sahip olduğu ısı enerjisinin kaynağı, o sistemi oluşturan parçacıkların sistem içindeki bu düzensiz hareketleridir. 

Bir sistemdeki toplam ısı enerjisi miktarı, o sistemden iş yapmaksızın elde edilebilecek enerji miktarına karşılık gelir. Örneğin iki cismi birbirine temas ettirerek birinden diğerine iş yapmaksızın (bir sistem diğerine net bir kuvvet uygulamaksızın) enerji aktarabilirsiniz. Aktarılan enerji ısı enerjisidir.

Sıcaklık ise bir sistemdeki ortalama (parçacık başına düşen) ısı enerjisiyle orantılıdır. Bir sistemden diğerine ısı akışı olduğunda, ısı kaybeden sistemdeki ortalama ısı enerjisi ve dolayısıyla sıcaklık düşer, ısı kazanan sistemdeki ortalama ısı enerjisi ve dolayısıyla sıcaklık da artar. Farklı sıcaklıklara sahip iki sistem birbirlerine temas ettiğinde sıcaklıkları eşitlenene kadar sıcak olandan soğuk olana ısı akışı gerçekleşir.

Eğer bir sistemde ısı enerjisi yoksa yani sistemi oluşturan parçacıklar düzensiz hareketler yapmıyorsa ortalama ısı enerjisi de sıfır olacaktır. Bu duruma karşılık gelen sıcaklık bilimsel yazında mutlak sıfır olarak tanımlanır ve Kelvin ölçeğindeki sıfıra karşılık gelir. Günlük hayatta kullandığımız Celsius ölçeğinde ise mutlak sıfır -273 °C’dir.

Mutlak sıfır, matematiksel olarak iyi tanımlanmış bir kavram olsa da bugün doğru olarak kabul edilen fiziksel kuramlara göre mutlak sıfıra ulaşılması imkânsızdır. Bu durumun birkaç nedeni var.

Katı bir malzemenin sıcaklığını mutlak sıfıra düşürmeye çalıştığımızı düşünelim. Bu amaca ulaşmak için malzemenin dışarıdan ısı almasını engellememiz gerekir. Çünkü malzeme dışarıdan ısı aldığı sürece, sahip olduğu toplam ısı enerjisi ve dolayısıyla sıcaklığı hiçbir zaman sıfıra düşmeyecektir. Peki, bunu nasıl başarabiliriz? Malzemenin çevresiyle fiziksel temasını kesmek çözüm değildir. Çünkü malzeme hâlâ etraftaki nesneler tarafından yayılan ısıyı (kızılötesi ışığı) soğurarak ısınabilir. Mükemmel yalıtım imkânsız olduğu için mutlak sıfıra ulaşmak da imkânsızdır. 

Mutlak sıfıra ulaşmanın imkânsız olmasının bir diğer nedeni, mutlak sıfırdan daha düşük sıcaklıklar olmamasıdır. Termodinamiğin ikinci yasası, ısı alışverişi yapan iki sistem varsa sıcak olandan soğuk olana net ısı akışı gerçekleşeceğini söyler. Dolayısıyla bir malzemenin sıcaklığını termodinamik yollarla mutlak sıfıra düşürebilmek için ısı alışverişi yapacağı sistemin sıcaklığının mutlak sıfırdan daha düşük olması gerekir. Ancak mutlak sıfır zaten toplam ısı enerjisinin sıfır olduğu sıcaklığa karşılık geldiği için bir malzemenin sıcaklığı mutlak sıfırdan daha düşük olamaz. Dolayısıyla bir malzemenin sıcaklığını kendisinden daha soğuk başka bir malzemeye ısı aktarmasını sağlayarak sıfıra düşüremezsiniz.

Bir diğer neden Heisenberg belirsizlik ilkesidir. Bir parçacığın konumundaki belirsizlik ∆x, momentumundaki belirsizlik ∆p ise, Heisenberg belirsizlik ilkesi ∆x∆p çarpımının hiçbir zaman -h Planck sabiti olmak üzere- h/4π’den küçük olamayacağını söyler. Bu durumun mutlak sıfıra ulaşılmasına nasıl bir engel oluşturduğunu anlamak adına, içinde helyum atomları bulunan kapalı bir kabı ele alalım. Isı enerjisinin kaynağı atomların düzensiz hareketleri olduğu için mutlak sıfıra ancak kaptaki atomların düzensiz hareketleri sonlandığında ulaşılabilir. Başka bir deyişle eğer gazın sıcaklığını mutlak sıfıra düşürmeyi başarabilirsek tüm atomlar belirli konumlarda hareketsiz durmaya başlayacak ve hepsinin momentumu sıfır olacaktır. Böyle bir durumda gazı meydana getiren atomların konumlarındaki belirsizlik -atomlar kabın içinde bilinmeyen bir konumda sabit durdukları için- kabın hacmi tarafından belirlenen sonlu bir sayıya, momentumlarındaki belirsizlikse -tüm atomların momentumu sıfır olduğu için- sıfıra eşit olur. Ancak sıfır ile sonlu bir sayının çarpımı sıfıra eşittir. Dolayısıyla bu durum ∆x∆p’nin h/4π’den küçük olamayacağını söyleyen Heisenberg belirsizlik ilkesiyle çelişir. 

Bir malzemenin sıcaklığını mutlak sıfıra düşürmek imkânsız olsa da gelişmiş yöntemler kullanılarak laboratuvar ortamında mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara ulaşılabiliyor. Bugüne kadar ölçülmüş en düşük sıcaklık 1999 yılında kaydedildi. Bir grup Finlandiyalı ve Danimarkalı araştırmacı, rodyum metalinin sıcaklığını 1 Kelvin’in on milyarda birine kadar düşürmeyi başardı.