I ftohti i pamundur: përpiqemi të përqafojmë zero absolutin e temperaturës (dhe dështojmë)

Në netët e nxehta të verës, ndërsa rrotullohemi në shtrat dhe jastëku duket si një copë lavë vullkanike, kush nuk do të donte të shpëtonte në një laborator kriogjenik të ftohtë, të vishte një pallto të denjë për Antarktikën e largët dhe të pushtonte kufirin përfundimtar të të ftohtit: zero absolute?

Megjithatë, do të zgjohemi më parë se ta arrijmë atë, sepse ky kufi nuk është vetëm i vështirë për t’u kaluar, por në mënyrë tërësore i pamundur. Edhe pse termometrat tanë thonë diçka tjetër. Dhe kjo na çon në ëndrrën magjepsëse të William Thomsom Kelvin, i njohur më shumë në “lagjen shkencore” si Lord Kelvin.

Puna e parë për të arritur në 0 absolut

Në vitin 1848, ky fizikues skocez, dashamir i anijeve me avull dhe me një pasion të veçantë për të matur gjithçka, vendosi të krijonte një shkallë të re të temperaturës. Deri atëherë, fizikantët Anders Celsius dhe Daniel Gabriel Fahrenheit përdornin shifra të rastësishme për të përcaktuar zero-n e temperaturës. Zero-t e tyre arbitrare përcaktoheshin sipas temperaturës së ngrirjes së një zgjidhjeje të salcit, të bërë nga një përzierje uji, akulli dhe kloruri i amonit (një kripë).

Por William Thomson Kelvin ndiqte diçka më rigoroz, më absolute. Zeroja e tij do të ishte temperatura më e ulët e mundshme, ajo në të cilën grimcat që përbëjnë materien që shohim ndalohen plotësisht. O pothuajse, sepse në fizikë gjithmonë ka kurthe.

Një fenomen i ekuilibrit

Gjatë dekadave, shkalla Kelvin e temperaturës u përcaktua duke marrë si referencë një fenomen të çuditshëm të quajtur pika triple e ujit.

Për të kuptuar se për çfarë bëhet fjalë, le të imagjinojmë një shfaqje ekuilibri cirkesh në shkallë molekulare të H₂O-së në tre gjendje të ndryshme (kripa e akullt, uji i lëngshëm dhe avulli) duke arritur të ekzistojnë në paqë në mënyrë të pavarur në 273,16 kelvin (K, në formatin e shkurtuar), pra 0,01 °C, e cila arrihet në një presion prej 657 paskalësh (Pa), rreth 0,0060366 herë presionin atmosferik të zakonshëm. Numër i bukur, apo jo?

Ky skenar, i denjë për një traktat diplomatik, shërbeu si referencë universale deri sa fizikanët u lodhëm së varurit nga uji për të vendosur kufirin e 0.

Vlera e K-së

Në vitin 2019, fizika ndryshoi drejtimin. U vendos që kelvini të përcaktohet duke u bazuar në një konstantë themelore, diçka si ADN-ja termike e universit: konstanta e Boltzmannit (një shkencëtar i jashtëzakonshëm, baba i Fizikës Statistike dhe shumë gjërave të tjera).

Që nga ajo kohë, një kelvin u përcaktua zyrtarisht nga një energji mikroskopike prej saktësisht 1,380649 × 10⁻²³ julish për grimcë. Është një shifër e çuditshme dhe qesharake shumë e vogël, por fizika e pëlqen decimalet pa fund, kështu që nuk kishte shumë zgjidhje tjetër.

Tani, pse ka kaq shumë përpjekje për këtë shkallë kaq të veçantë? A nuk mjafton të kuptojmë kur është ftohtë ose ngrohtë me gradat Celsius ose Centigrade? (që, për më tepër, nuk janë të njëjtë dhe duhet të zëvendësohen me Fahrenheit-in në ndonjë marrëveshje ndërkombëtare që ta bëjë jetën tonë më të lehtë kur dalim për udhëtim).

Jo të gjitha 0 janë 0

Përgjigjja është e thjeshtë por e thellë. Celsius përcakton zero në vendin ku ngrin uji, diçka praktike, ta pranojmë, por jo shumë e saktë, sepse akulli mund të jetë në temperatura nën zero.

Por kundër, kelvini lidhet drejtpërdrejt me zemrën e brendshme të materies. Është një shkallë absolute sepse ky zero i temperaturës korrespondon me lëvizjen minimale të mundshme të çdo grimce. Atë e quajmë “zero absolute”, edhe pse këtu vjen shaka galaktike: kurrë nuk do të mund ta arrijmë atë.

Si do të thoshte Walther Nernst, autori i ligjit të tretë të termodinamikës – dhe ndoshta profesionist i humorit të keq – zero absolute është një kufi ndaj të cilit mund të afrohemi pafundësisht, por kurrë nuk mund ta prekemi.

Dhe nuk është se na mungojnë dëshirat: shkencëtarë nga e gjithë bota po përpiqen për dekada për të ulur temperaturën e materies në laboratorët e tyre, nga milikelvin në milikelvin, duke u afruar aventurshëm drejt atij të ftohti të përkryer zero. Por gjithmonë mbetet një fraksion i pamundur për t’u kaluar, një shkallë e fundit që duket se tallet me ne nga fundi i frigoriferit kozmik.

Eksperimenti më i ftohti i njohur

Ajo tension i begatë midis kufirit teorik dhe inovacionit eksperimental është, pikërisht, ajo që mban gjallë dhe fuqizon këtë fushë të Fizikës.

Fizikantët eksperimentalë nuk ndalen në kërkimin e “gralit të shenjtë” termodinamik, por zero absolute – saktësisht 0 K, ku çdo aktivitet termik ndal – vazhdon të rezistojë me këmbëngulje çdo përpjekje për ta arritur, edhe pse çdo herë është më afër.

Në eksperimente të fundit janë arritur temperatura jashtëzakonisht të ulëta. Për shembull, në vitin 2021, shkencëtarë gjermanë ftohën atome rubidi deri në rreth 38 pikokelvin (38 miliardëshat e kelvinit), duke shfrytëzuar mikrogravitetin në kullën e rënies në Bremen (Gjermani). Ky eksperimenti është një nga më të ftohtit që është kryer ndonjëherë në planetin tonë dhe tregon aftësinë e jashtëzakonshme teknike aktuale për të prekur kufijtë e 0 K.

Ndërkohë, kërkimi në orbitën hapësinore me anë të Stacionit Hapësinor Ndërkombëtar, me Laboratorin e Atomeve të Ftohta (Cold Atom Lab) të NASA-s, ku janë prodhuar dhe manipuluar condensate me energji në regjimin e pikokelvinëve dhe në shkallë kohore që janë të paarritshme në Tokë.

Por as këto arritje mbresëlënëse nuk kanë arritur – dhe nuk do të arrijnë – të thyjnë barrierën përfundimtare: teoria aktuale e termodinamikës tregon qartë se zeroja absolute është e paarritshme në praktikë, pasi kërkon energji dhe kohë të pafundme (Masanes & Oppenheim, 2017).

Ftohtësia kozmike

Dhe nëse shikojmë në boshllëk, në vakumin kozmik? Sa i përket dukjes, universi nuk është i vdekur nga ftohtësia. Hapësira ndërgalaktike, ajo shkretëtirë e zbrazët mes galaktikave, ruan një fjalë të lehtë termike: 2,725 kelvin, temperatura e fonit kozmik të mikrovalëve, ai ekoi i shurdhët i Big Bang që ende vibron në korridoret e kohës. As edhe qoshet më të vetmuara të kozmosit nuk mund të shpëtojnë prej tij.

Zeroja absolute, ai ideali i ngrirjes totale ku atomët duhet të dorëzohen dhe të qëndrojnë të qetë një herë e përgjithmonë, mbetet aq e paarritshme sa edhe paanshmëria në një debat politik. Gjithmonë ka diçka që pengon, një rrezatim i vonuar, një fluktuacion kuantik i papërshtatshëm, gravitacioni i gjithpushtetshëm duke futur në lojë.

Pra, jo, universi nuk mund ta fikë plotësisht ngrohjen e tij. 0 K është si horizonti: e sheh, e ëndërron në një natë vere shakespeareane, por kurrë nuk e prek.