Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Mutlak Sıfır Nedir ve Neden Ulaşılamaz?

Hazırlayan: Eyüp Gürses
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Evrende, evrenin doğası gereği varolan bazı limitler vardır. Işık hızı ve mutlak sıfır, bu limitlerin en bilinenleri ve en katı biçimde sınırları çizilmiş olanları.

Sıcaklık, kısaca maddenin mikro seviyedeki moleküler kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür, buradan madde ne kadar sıcaksa mikro seviyedeki toplam kinetik enerji o kadar yüksektir diyebiliriz. Yeri gelmişken, ısı ve sıcaklık terimleri kullanılırken çok yapılan hataları önleme adına biraz daha açıklayalım:

Isı; bir enerji biçimidir. Kalori veya Joule kullanılarak belirtilen bir enerji miktarıdır. Var olan ısı enerjisi ile yapılabilecek “” miktarı belirlenebilir. Sıcaklık ise, santigrat, fahrenayt veya kelvin birimleri ile ölçülen, cismin aldığı ısı enerjisini belirten bir ölçüdür. Maddenin, ısı enerjisinden kaynaklanan ortalama kinetik enerjisini belirlemek için kullanılır. Şimdi, konumuza dönebiliriz…

Isındıkça sıcaklığı artan moleküller, titreşmeye başlar…

Bir metali ısıttığınız zaman onu oluşturan parçacıkların kinetik enerjisini arttırmış olursunuz. Kinetik enerjisi artan moleküller, daha güçlü biçimde titreşirler. Aynı şekilde eğer bir bardak suyu buzdolabına soğuması için koyarsanız, bu da bardağın içinde ki suyun sistemle alışveriş yapıp enerji kaybetmesine neden olacaktır ve dolayısıyla enerji kaybettikçe suyu oluşturan moleküller daha hareketsiz bir hale gelecektir. Moleküller ne kadar hareketsizse, su o kadar soğuk, ne kadar hareketli ise, o kadar sıcaktır.

Mutlak sıfır (0 Kelvin, –273,15 °Celsius, -459,67 °Fahrenhayt): bir maddenin sahip olabileceği veya maddeye kazandırabileceğimiz en düşük sıcaklıktır. Daha başka deyişle, maddeyi oluşturan atomların en hareketsiz halidir.

Termodinamik dersi almış olanların daha iyi hatırlayabileceği gibi, maddeleri ısıttığımız zaman içsel enerjilerini arttırdığımızdan dolayı entropileri artar. Bunun tam tersi de geçerlidir; eğer bir maddeyi gerçekten aşırı düşük sıcaklıklara kadar soğutursanız, bu da soğutulan maddenin entropisinin azalmasına neden olur. Çünkü hepinizin tahmin edebileceği gibi bu soğutma işlemi, maddenin mikro seviyedeki kinetik enerjilerini kaybedip hareketlerinin muazzam bir şekilde yavaşlaması yoluyla gerçekleşir.

Mutlak Sıfır

Hava moleküllerini düşünün. Sol tarafta soğuk, sol tarafta sıcak hava var. Soğuk havada, moleküllerin titreşimi azaldığından, hava daha yoğun hale gelir ve “çöker”. Sıcak hava molekülleri ise daha hareketlidir ve bu nedenle genleşme eğilimi gösterir. Genleşen hava molekülleri daha az yoğun bir ortam oluşturur ve yükselir.

Evet, mutlak sıfır noktasında ise madde tamamen hareketsiz hale gelir (sıfır entropi). Yalnız burada kuantum mekaniği, maddelere mutlak sıfıra ulaşma izni vermez. Çok yaklaşabilirsiniz der ancak, asla o sıcaklığa ulaştırmaz. Şu ana kadar ulaşılmış en düşük sıcaklık 100 pikoKelvin (pK)’dır ki, bu da mutlak sıfırdan yaklaşık olarak 0,000.000.000.1 kelvin daha sıcaktır.

Mutlak sıfır noktasında dediğimiz gibi hareket yoktur. Kuantum mekaniğine göre ise, hiçbir yer tamamen hareketsiz değildir. Kuantum dalgalanmaları nedeniyle her yer sıfır noktası enerjisiyle doludur, hatta tamamen vakumlanmış bir ortam bile boş değildir.

Kuantum mekaniksel bir sistemin sahip olabileceği en düşük enerji seviyesi, mutlak sıfıra ulaşılmayı imkansız kılar. Dolayısıyla mutlak sıfıra ulaşıp fizik kanunlarını baştan yazmak gibi bir hayaliniz olsa da, bu dalgalanmalardan kurtulamazsınız. Mutlak sıfır noktasında hareket veya herhangi bir kinetik enerji olmaması gerektiği halde, bu enerji dalgalanmaları o sistemin tamamen hareketsiz olmasına izin vermez ve dolaylı olarak sistemin enerji kazanmasına yol açarak sıcaklığının artmasına neden olur.

Sonuçta, asla konvansiyonel yöntemlerle ışık hızına ulaşılamayacağı, ancak çok çok yaklaşmak mümkün olduğu gibi, mutlak sıfır noktasına da sürekli yaklaşır ama asla ulaşamazsınız.

Hazırlayan: Eyüp Gürses
Geliştiren: Zafer Emecan

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Eyüp Gürses