صفر مطلق چیست؟ – توضیح به زبان ساده

علم سرشار از صفر است. بار الکتریکی نوترونیو برابر صفر است. نقطه ریاضی طول برابر صفر دارد. این صفرها شاید ناآشنا به نظر برسند، اما تمام آن‌ها عدم وجود کمیتی مشخص مانند جرم، بار الکتریکی و فاصله را نشان می‌دهند. در فیزیک، صفری به نام صفر مطلق وجود دارد که عدم وجود گرما و انرژی جنبشی را در سیستمی از ذرات نشان می‌دهد. به عنوان موجودی زنده، گرما و سرما را احساس می‌کنیم و گرم بودن جسمی نسبت به جسم دیگ را می‌توانیم تشخیص دهیم. صفر مطلق کمترین دمای ممکن در کیهان را نشان می‌دهد. دمای اجسام را می‌توانیم با سه مقیاس متفاوت، سلسیوس، فارنهایت و کلوین، اندازه بگیریم. دمای صفر مطلق در مقیاس کلوین برابر صفر، اما در مقیاس سلسیوس و فارنهایت به ترتیب برابر ۲۷۳/۱۵- و ۴۵۹/۶۷- است.

در این مطلب از مجله فرادرس، ابتدا صفر مطلق را تعریف، سپس رفتار ماده در این دما را بررسی می‌کنیم. بر طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، رسیدن به دمای صفر مطلق امکان‌پذیر نخواهد بود، بلکه تنها می‌توانیم به این دما نزدیک شویم. در دماهای بسیار نزدیک به صفر مطلق، ماده رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد. به عنوان مثال، در نزدیک به صفر مطلق، حالت پنجم ماده به نام چگالش بوز-اینشتین ظاهر می‌شود. پس از آشنایی با صفر مطلق و پاسخ به این پرسش که چرا نمی‌توانیم به این دما برسیم، در مورد چگالش بوز-اینشتین صحبت خواهیم کرد. در پایان، به چند پرسش جالب نیز پاسخ می‌دهیم.

صفر مطلق چیست؟

بزرگ‌ترین دمایی که دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از شتاب‌دهنده هادرون به آن دست یابند برابر ۴ تریلیون کلوین است. در مقابل، دمای ۰/۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۳۸ یا ۳۸ پیکو کلوین کوچک‌ترین دمایی که به دنبال رسیدن به آن هستند. این دما برابر ۲۷۳/۱۴- درجه سلسیوس و ۴۵۹/۶۶- درجه فارنهایت است. آیا جسمی سردتر یا گرم‌تر از دماهای ذکر شده وجود دارد؟ سردتر و گرم‌تر بودن جسمی نسبت به جسم دیگر چه معنایی دارد؟ چرا برخی اجسام گرم‌تر از اجسام دیگر و برخی سردتر هستند؟ صفر مطلق چیست؟ در این مطلب، به این سوالات به زبان ساده پاسخ می‌دهیم.

انرژی پایه و اساس کیهان و هر چیزی در آن و دلیل اصلی حرکت در کیهان است. انرژی، شکل‌های مختلفی دارد و هر بار به شکلی خود را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، هنگامی که جسمی با سرعتی مشخص حرکت می‌کند، انرژی موجود در آن به شکل انرژی جنبشی ظاهر می‌شود. بر طبق معروف‌ترین فرمول مطرح شده در فیزیک، $$E = m c ^ 2$$، حتی ماده نیز شکلی از انرژی است. انرژی در ماده به شکل دما خود را نشان می‌دهد. موجودات زنده می‌توانند دمای هر چیزی را حس کنند. به طور حتم، نوشیدن چای گرم در یکی از روزهای سرد زمستان برای شما بسیار لذت‌بخش خواهد بود. با لمس فنجان چای، داغ یا سرد بودن چایی را احساس خواهید کرد. به راحتی می‌توانید تغییر دمای چای را پس از خنک شدن احساس کنید.

چای داغ و سرد از اتم‌های یکسانی ساخته شده‌اند، بنابراین سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه چیزی دمای آن را مشخص می‌کند. دما به حرکت اتم‌های سازنده ماده مربوط می‌شود. اتم‌ها همواره در حال حرکت هستند. مولکول‌های سازنده مواد مختلف، حتی مولکول‌های سازنده قطعه‌ای آهن، نوسان می‌کنند. انرژی جنبشی، اجسام مختلف را به حرکت درمی‌آورد. در نتیجه، اتم‌های تشکیل‌دهنده مواد مختلف نیز به دلیل انرژی جنبشی حرکت می‌کنند. هرچه انرژی جنبشی اتمی بیشتر باشد، آن اتم سریع‌تر حرکت خواهد کرد. مقدار انرژی جنبشی اتم‌های سازنده هر ماده همان چیزی است که دمای آن ماده را مشخص می‌کند.

دمای اندازه‌گیری شده توسط دماسنج با انرژی جنبشی متوسط اتم‌های تشکیل‌دهنده جسم رابطه بسیار نزدیکی دارد. هرچه دمای اندازه‌گیری شده جسمی بیشتر باشد، انرژی جنبشی متوسط مولکول‌ها و اتم‌های تشکیل‌دهنده آن نیز بزرگ‌تر خواهد بود. اگر انرژی جنبشی مولکول‌های تشکیل‌دهنده یخ یا آهن به صورت پیوسته افزایش یابند، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ با افزایش انرژی جنبشی، مولکول‌های سازنده آن‌ها سریع‌تر نوسان می‌کنند. سرانجام، مولکول‌ها در نقطه‌ای مشخص از همسایگان مجاور خود دور می‌شوند. در پایان، آهن یا یخ از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می‌شوند. مولکول‌ها در حالت مایع سریع‌تر نوسان می‌کنند. امروزه مفهوم دما را به طور دقیق می‌دانیم. اما در گذشته، این مفهوم شناخته شده نبود. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا افزایش دما راحت‌تر از کاهش آن است.

به راحتی می‌توانیم دمای آب را تا ۱۰۰ درجه سلسیوس افزایش دهیم یا یخ به راحتی در دمای اتاق و پس از گذشت مدت زمان مشخصی ذوب می‌شود. اما آیا می‌توانید دمای مقداری آب را بدون کمک یخچال به اندازه ۱۰ درجه سانتی‌گراد کاهش دهید یا آن را به یخ تبدیل کنید؟ هر چه فکر می‌کنید هیچ پاسخی برای این پرسش پیدا نخواهید کرد. نکته مهم همین است. انسان در ۱۰۰ سال گذشته چگونگی رسیدن به دمای پایین را کشف کرد. شاید از خود پرسیده باشید چرا به هنگام اندازه‌گیری جرم یا طول، تنها از مقدارهای مثبت استفاده می‌کنیم، اما برای اندازه‌گیری دما نه‌تنها از مقدار مثبت، بلکه از مقدارهای منفی نیز استفاده می‌کنیم. برای پاسخ به این پرسش ابتدا باید بدانیم انسان چگونه برای نخستین بار دمای اجسام را در سال ۱۷۱۴ میلادی اندازه گرفت.

اندازه گیری دمای اجسام

فیزیک‌دانی آلمانی به نام «گابریل فارنهایت» (Gabriel Fahrenheit)‌ کمترین مقیاس دمایی را مشخص کرد. او دمای مخلوطِ یخ، آب و آمونیاک را برابر صفر در نظر گرفت. این عدد کمترین دمای شناخته شده تا پایان قرن هجدهم میلادی و نخستین مرجع دمایی بود. فارنهایت دمای بدن انسان را به عنوان دومین دمای مرجع در نظر گرفت. او بین این دو نقطه را به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم کرد. هر قسمت برابر یک درجه فارنهایت در نظر گرفته شد. در مقیاس اندازه‌گیری فارنهایت برای دما، نقطه ذوب یخ برابر ۳۲+ درجه فارنهایت و نقطه جوش آب برابر ۲۱۲+ درجه فارنهایت است. امروزه از این مقیاس برای اندازه‌گیری دما در آمریکا و انگلستان استفاده می‌شود.

مقیاس دیگری به نام سلسیوس نیز برای اندازه‌گیری دما وجود دارد. این مقیاس در دیگر نقاط جهان برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود و در مقایسه با واحد اندازه‌گیری فارنهایت، شناخته شده‌تر است. منجم و فیزیک‌دانی انگلیسی به نام «آندرش سلسیوس» (Anders Celsius) مقیاس سلسیوس برای اندازه‌گیری دما را در سال ۱۷۴۲ میلادی پیشنهاد داد. این مقیاس یکی از ساده‌ترین مقیاس‌های اندازه‌گیری دما است. در این مقیاس، نقطه ذوب یخ و نقطه جوش آب به ترتیب برابر صفر و ۱۰۰ انتخاب شده‌اند. فاصله بین صفر تا ۱۰۰ به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم می‌شود و هر قسمت برابر یک درجه سلسیوس است. به این نکته توجه داشته باشید که مقیاس‌های فارنهایت و سلسیوس برای استفاده روزمره مفید هستند. برای کارهای علمی از مقیاس دیگری به نام کلوین استفاده می‌شود. از این‌رو، وجود دماهای منفی کاملا منطقی به نظر می‌رسد.

در حقیقت، مقدار منفی برای دما وجود ندارد، اما تعریف مقیاس‌های مختلف سبب به وجود آمدن مقدارهای منفی برای دما در مقیاس‌های سلسیوس و فارنهایت شد. اما در مقیاس کلوین، مقدار منفی برای دما وجود ندارد و اندازه‌گیری دما از صفر شروع می‌شود. دمای صفر کلوین، دمای صفر مطلق نام دارد و تلاش‌های زیادی برای نزدیک شدن به آن انجام شده است. به بیان دیگر، به دمای صفر مطلق می‌توانیم نزدیک شویم، اما هیچ وقت به این مقدار نمی‌رسیم. در صورت رسیدن به این دما، اتفاق‌های بدی ممکن است رخ دهند. همان‌گونه که در ابتدای این بخش گفتیم، دما به طور مستقیم با میزان نوسان اتم‌ها یا مقدار انرژی جنبشی متوسط آن‌ها رابطه دارد. هر چه اتم‌ها آهسته‌تر نوسان کنند، دمای آن‌ها پایین‌تر خواهد بود. در دمایی مشخص، نوسان اتم‌ها متوقف می‌شود. این دما، صفر مطلق نام دارد.

توجه به این نکته مهم است که هرگز نمی‌توانیم به این دما برسیم. چرا؟ در سال ۱۸۰۲ میلادی شیمی‌دان و فیزیک‌دانی فرانسوی به نام «ژوزف لویی گیلوساک» (Joseph Gay-Lussac) به این نتیجه رسید که حجم گاز در فشار ثابت به صورت مستقیم با دما تغییر می‌کند. به بیان دیگر، اگر دمای گازی به اندازه یک درجه سلسیوس تغییر کند، حجم آن نیز متناسب با این تغییر، به اندازه $$\frac { 1 } { 273 } $$ حجم در صفر درجه سلسیوس تغییر خواهد کرد. این تغییر برای هر گازی، جدا از ماهیت آن، اعمال می‌شود. اگر دمای گازی تا مقدار ۲۷۳- درجه سلسیوس کاهش یابد، انتظار داریم این گاز به طور کامل ناپدید شود. گیلوساک به این نتیجه رسید که دمای ۲۷۳- درجه سلسیوس یا همان صفر مطلق کمترین مقداری است که دما می‌تواند داشته باشد. به بیان دیگر، صفر مطلق حد نظری برای کمترین مقدار دما است.

از مقیاس کلوین برای اندازه‌گیری دما در علوم پایه استفاده می‌شود. صفر کلوین برابر صفر مطلق و صفر واقعی برای دما است. صفر مطلق برابر ۲۷۳/۱۵- درجه سلسیوس و ۴۵۹/۶۷- درجه فارنهایت است. چرا حرکت اتم‌ها در این دما متوقف می‌شود؟ چرا صفر مطلق برابر ۲۷۳/۱۵- درجه سلسیوس است؟ برای پاسخ به این پرسش‌ها باید وارد حوزه فلسفه شویم. دلیل این موضوع به فلسفه وجودی کیهان مربوط می‌شود. صفر مطلق همانند سرعت نور یا جرم الکترون به چکونگی وجود جهان ربط داده می‌‌شود. این‌که در این دما چه اتفاقی برای ماده رخ می‌دهد، یکی از موضوعات بسیار جذابِ پژوهش در فیزیک است. همان‌طور که گفتیم با افزایش دما، اتم‌های تشکیل‌دهنده ماده با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. سرانجام در دمایی مشخص ماده از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود.

با کاهش دما چه اتفاقاتی رخ می دهد؟

اتم‌ها و مولکول‌ها در حالت مایع آزادانه‌تر و با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. با افزایش بیشتر دما، ماده می‌تواند از حالت مایع به گاز تبدیل شود. در مقابل، با کاهش دمای گاز، اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن با سرعت کمتری به اطراف حرکت می‌کنند. سرانجام، در دمایی مشخص گاز به مایع تبدیل می‌شود. با کاهش بیشتر دما، ماده از حالت مایع به جامد تبدیل خواهد شد. با کاهش بیشتر دما، سرعت حرکت اتم‌های کمتر و کمتر می‌شود، تا جایی که به طور کامل از حرکت می‌ایستند. اما توجه به این نکته مهم است که اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده ماده نمی‌توانند به طور کامل متوقف شوند. در صورتی که این اتفاق رخ دهد، با نتیجه خوشایندی روبرو نخواهیم شد. با کاهش دمای مواد مختلف و نزدیک شدن به صفر مطلق، برخی خواص فیزیکی آن‌ها به طور کامل تغییر می‌کند.

به عنوان مثال، برخی فلزات با نزدیک شدن به صفر مطلق، مقاومت الکتریکی خود را به صورت کامل از دست می‌دهند و به رسانای ایده‌ال تبدیل می‌شوند. در این حالت، جریان الکتریکی می‌تواند از فلز به مدت طولانی عبور کند. به این پدیده، ابررسانایی گفته می‌شود. همچنین، برخی گازها، مانند هلیم، در نزدیکی صفر مطلق خواص منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهند. گاز هلیوم دز دمای ۲۶۹- درجه سلسیوس به مایع تبدیل می‌شود. با کاهش بیشتر دما، اتم‌های تشکیل‌دهنده هلیوم می‌توانند از طریق اثر مویینگی میکروسکوپی و بدون اصطکاک نشت کنند. به این پدیده، ابرشارگی گفته می‌شود. این پدیده در موادی با دمای معمولی غیرممکن است.

همچنین، در دماهای بسیار پایین دانشمندان پنجمین حالت ماده را کشف کردند. ماده به جز چهار حالت جامد، مایع، گاز و پلاسما، چه حالت دیگری می‌تواند داشته باشد؟ حالت پنجم ماده در دماهای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق می‌تواند ما را یک گام به معجزه فیزیک کوانتوم نزدیک‌تر کند. حالت پنجم ماده توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۲۵ میلادی پیش‌بینی شده بود. این پیش‌بینی براساس کار فیزیک‌دانی هندی به نام «بوز»‌ (Bose) انجام شد. این پیش‌بینی در سال ۱۹۹۵ میلادی، به صورت تجربی توسط دو دانشمند به نام‌های «اریک کرنل» (Eric Cornell) و «کارل ویلمن» (Karl Wilman) تایید شد. برای دسترسی به حالت پنجم ماده، این دو دانشمند از اتم‌های روبیدیوم گازی استفاده کردند و آن‌ها را دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد کردند.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه چیزی در مورد پنجمین حالت ماده مهم است که دانشمندان به مدت ۷۰ سال در تلاش بودند به آن برسند. به زبان ساده، برخی از پدیده‌های کوانتومی در پنجمین حالت ماده، در حالت چگالش بوز-ابنشتین، رخ می‌دهند. یکی از این پدیده‌ها برهم‌نهی نام دارد. در این پدیده، یک ذره می‌تواند هم‌زمان در حالت‌های مختلفی وجود داشته باشد. فیزیک‌دان‌های تجربی با استفاده از چگالش بوز-اینشتین توانسته‌اند حرکت نور را آهسته کنند.

چرا رسیدن به دمای صفر مطلق غیرممکن است؟

در بخش‌های قبل دما را تعریف کردیم و فهمیدیم صفر مطلق چیست. در این بخش، می‌خواهیم بدانیم چرا رسیدن به دمای صفر مطلق غیرممکن است. همان‌طور که می‌دانیم هیچ حد بالایی برای دما وجود ندارد، دمای کیهان به هنگام تولد برابر چند تریلیون درجه بود. اگر مقدار مشخصی انرژی را در حجم بسیار کوچکی قرار دهیم، دما در این حجم بدون محدودیت افزایش خواهد یافت. این همان چیزی بود که به هنگام بیگ‌بنگ رخ داد. این موضوع به دلیل وجود گرما رخ می‌دهد. در واقع، با محصور کردن انرژی در ناحیه‌ای بسیار کوچک، گرمای بسیاری زیادی به این ناحیه وارد می‌شود. باید به این نکته توجه داشته باشیم که گرما وجود دارد، اما سرما نه. در نتیجه، با خارج کردن گرما از سیستمی دلخواه، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

با خارج کردن گرما از سیستم، دمای آن کاهش می‌یابد. با خارج کردن پیوسته گرما از سیستم، به نقطه‌ای می‌رسیم که هیچ گرمایی برای خارج کردن از سیستم باقی نمانده است. با خارج کردن تمام گرما از سیستم، به چه دمایی می‌رسیم؟ بله، به دمای صفر مطلق می‌رسیم. بنابراین، برای رسیدن به این دما باید تمام 'رمای موجود در سیستم را حذف کنیم. پرسش مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که چگونه‌ می‌توانیم سیستمی درست کنیم که هیچ گرمایی در آن وجود نداشته باشد. ساختن چنین سیستمی بسیار سخت و می‌توان گفت غیرممکن است. همان‌طور که در بخش قبل اشاره کردیم، انرژی گرمایی همان ارتعاش ذرات سازنده ماده است. به بیان دیگر، انرژی گرمایی تمامِ انرژی موجود در ذات سازنده ماده است.

گرما چگونه از سیستم خارج می‌شود. برای خارج کردن گرما از سیستم، به دستگاهی نیاز داریم که بتواند این گرما را از سیستم دریافت کند. این دستگاه یخچال نام دارد. پس از قرار دادن ظرفِ غذا داخل یخچال، دمای هوای اطراف پایین‌تر از دمای غذا است. بنابراین، گرما از غذا به هوای اطراف منتقل می‌شود و دمای غذا کاهش می‌یابد. بنابراین، برای کاهش دمای جسم، گرمای آن باید توسط جسمی با دمای کمتر جذب شود. فرض کنید دمای جسمی را تا یک کلوین کاهش داده‌ایم. برای کاهش بیشتر دمای آن و رسیدن به صفر مطلق نیاز به جسمی با دمای کمتر از یک درجه کلوین داریم. از آنجا که برای کاهش دمای هر جسم، نیاز به دستگاهی با دمای کمتر از آن جسم داریم، چگونه می‌توانیم به صفر مطلق برسیم؟ صفر مطلق حد پایین‌ترین دما در کیهان است و هیچ جسمی با دمای کمتر از صفر مطلق در کیهان وجود ندارد.

گازی را در نظر بگیرید که ذرات تشکیل‌دهنده آن ارتعاش می‌کنند. با منبسط کردن گاز و افزایش فاصله بین ذرات آن، می‌توانیم گاز را سرد کنیم. برای انجام این کار به انرژی نیاز داریم. با انجام این کار می‌توان دمای گاز را به صفر مطلق نزدیک کرد. اما از نظر فلسفی و نظری هرگز نمی‌توانیم به صفر مطلق برسیم. مشکل دیگری نیز وجود دارد. بر طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ هرگز نمی‌توانیم مکان و سرعت ذره را همزمان به طور دقیق مشخص کنیم. در فیزیک کوانتوم، هیچ ذره‌ای ساکن نیست. زیرا ساکن بودن ذره به معنای دانستن مکان و سرعت آن به صورت دقیق است. در صفر مطلق، اتم‌ها و مولکول‌ها به طور کامل متوقف می‌شوند. جیزی که از دیدگاه فیزیک کوانتوم، امکان‌پذیر نیست.

شاید به عنوان فیزیک‌دان در تلاش باشیم تا ذرات را در نقطه‌ای متوقف کنیم، اما هرگز موفق نخواهیم شد. مهم نیست چه مقدار گرما از سیستم خارج شده است، ذرات داخل سیستم هنوز می‌توانند به صورت کوانتومی ارتعاش داشته باشند. در نتیجه، نه‌تنها از دیدگاه فیزیک کلاسیک، بلکه از نقطه نظر فیزیک کوانتوم نیز رسیدن به صفر مطلق امکان‌پذیر نیست. بر طبق فیزیک کوانتوم و دوگانگی موج ذره، نور می‌تواند از خود رفتار ذره‌ای و الکترون می‌تواند از خود رفتار موجی نشان دهد. با کاهش سرعت ذره، موج نسبت داده شده به آن بلندتر می‌شود. اگر سیستمی از ذرات کوانتومی داشته باشیم و سرعت آن‌ها را کاهش دهیم، موج نسبت داده شده به آن‌ها بلندتر خواهد شد.

سرانجام به نقطه‌ای می‌رسیم که امواج آن‌ها مشابه یکدیگر می‌شوند. این نقطه همان جایی است که حالت پنجم ماده، چگالش بوز-اینشتین، رخ می‌دهد. در این حالت، تمام ماده، همانند ماده‌ای واحد عمل می‌کند. در بخش بعد کمی در مورد حالت پنجم ماده یعنی چگالش یوز-اینشتین صحبت می‌کنیم.

چگالش بوز-اینشتین چیست ؟

بوزون‌ها دسته‌ای از ذرات هستند که ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند. نام بوزون برگرفته از نام فیزیک‌دانی هندی به نام بوز است. فوتون و ذره بوزون هیگز از معروف‌ترین ذرات بوزونی هستند. یکی از مهم‌ترین ویژگی بوزون‌ها آن است که این ذرات غیرقابل‌تشخیص هستند. این بدان معنا است که اگر دو ذره بوزونی یکسان در سیستمی مشخص داشته باشیم، هیچ راهی برای تشخیص و جدا کردن دو ذره از یکدیگر نداریم. به بیان دیگر، اگر دو ذره بوزونی به نام‌های A و B در سیستم داشته باشیم، نمی‌تو‌انیم تشخصی دهیم کدام ذره A و کدام ذره B است. این ویژگی تاثیر زیادی بر چگونگی رفتار بوزون‌ها می‌گذارد. به هر ذره بوزونی می‌توانیم تابعی به نام تابع موج نسبت دهیم. تابع موج، تابعی ریاضی است که تمام اطلاعات سیستم را در خود گنجانده است.

به عنوان مثال، اگر سیستم ما تنها از یک الکترون تشکیل شده باشد، با استفاده از تابع موج سیستم می‌توانیم احتمال یافتن الکترون در نقطه‌های متفاوت در فضا را به‌دست آوریم. همچنین، مربع تابع موج به صورت مستقیم متناسب با احتمال برخی نتایج تجربی به‌دست آمده است. اکنون سیستمی متشکل از دو ذره بوزونی در نظر بگیرید. فرض کنید تابع موج این سیستم به صورت نشان داده شده در شکل زیر است.

در ادامه، تابع موج سیستم را به توان دو می‌رسانیم.

مربع تابع موج این سیستم باید برای حالت‌های ۱ و ۲ نشان داده شده در تصویر زیر یکسان باشد.

به بیان دیگر، اگر ذرات A و B را با یکدیگر جابجا کنیم، مربع تابع موج باید بدون تغییر باقی بماند. هیج راهی برای تشخیص آن‌که کدام ذره A است و کدام ذره B، نداریم. اگر مربع تابع موج با جابجایی ذرات تغییر می‌کرد، به راحتی می‌توانستیم آن‌ها را از یکدیگر تشخیص دهیم. از این‌رو، مربع تابع موج در حالت یک برابر مربع تابع موج در حالت دو است:

$$| \psi ( A , B ) | ^ 2 = | \psi ( B , A ) | ^ 2$$

اگر از طرفین رابطه فوق جذر بگیریم، به رابطه زیر می‌رسیم:

$$ \psi ( A , B ) = \pm \psi ( B , A ) $$

بنابراین، یا تابع موج در حالت اول به طور دقیق برابر تابع موج در حالت دوم یا تابع موج در حالت اول، قرینه تابع موج در حالت دوم است. با توجه به این حالت، می‌توانیم به این نتیجه برسیم که ذرات به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند. اگر تابع موج‌ سیستم ذرات A و B پس از جابجایی تغییر نکند، به این ذرات، بوزون و اگر تابع موج آن‌ها پس از جابجایی، قرینه شود، به آن‌ها فرمیون می‌گوییم. از آنجا که تابع موج بوزون‌ها پس از جابجایی ذرات تغییر نمی‌‌کند، این تابع موج تحت جابجایی ذرات با یکدیگر، متقارن و در مقابل، تابع موج فرمیون‌ها تحت جابجایی ذرات نامتقارن است. برای درک مفهوم چگالش بوز-اینشتین، روی رفتار بوزون‌ها متمرکز می‌شویم. دو بوزون به نام‌های A و B را در نظر بگیرید.

این دو بوزون می‌توانند دو سطح انرژی صفر و یک را اشغال کنند. تراز انرژی صفر، حالت پایه انرژی و تراز انرژی یک، حالت بالاتر انرژی است. فرض کنید ذره A در تراز انرژی پایه یا صفر و ذره B در تراز انرژی یک قرار دارند. آیا می‌دانید تابع انرژی برای چنین سیستمی به چه شکل نوشته می‌شود؟

در این حالت، تابع موج سیستم می‌تواند به شکل زیر نوشته شود:

$$\psi = | 0 > | 1 > $$

اگر دو ذره A و B در تراز انرژی پایه یا صفر قرار داشته باشند، تابع موج سیستم به شکل زیر نوشته خواهد شد:

$$\psi = | 0 > | 0 > $$

آیا این تابع موج تحت جابجایی ذرات A و B متقارن است؟ بله. تابع موج $$\psi = | 0 > | 0 > $$ پس از جابجایی دو ذره با یکدیگر، بدون تغییر باقی می‌ماند. به این نکته توجه داشته باشید که بوزون‌ها هم‌زمان می‌توانند تراز انرژی یکسانی را اشغال کنند. اما این حالت در مورد فرمیون‌ها صدق نمی‌کند. هنگامی‌که ذره A در تراز انرژی پایه و ذره B در تراز انرژی یک قرار دارند، تابع موج سیستم را به صورت $$\psi = | 0 > | 1 > $$ نوشتیم. دو ذره را با یکدیگر جابجا می‌کنیم. در کمال تعجب مشاهده می‌کنیم تابع موج سیستم تغییر می‌کند و به شکل $$\psi = | 1 > | 0 > $$ نوشته می‌شود. چرا؟ باید بدانیم که تابع موج ذرات بوزونی پس از جابجایی بدون تغییر باقی می‌ماند. بنابراین، تابع موج اولیه‌ای که برای سیستم موردنظر نوشتیم، اشتباه است و باید آن را به گونه‌ای اصلاح کنیم که پس از جابجایی دو ذره با یکدیگر، بدون تغییر باقی بماند:

$$\psi = \frac { 1 } { \sqrt { 2 } }\ ( | 0 > |1 > + | 1 > | 0 > )$$

حالت سومی نیز وجود دارد. دو ذره بوزونی A و B می‌توانند هم‌زمان در تراز انرژی اول قرار بگیرند. در این حالت، تابع موج سیستم به صورت $$\psi = | 1 > |  1 > $$ نوشته می‌شود. بار دیگر تفاوت بسیار مهم بین بوزون‌ها و فرمیون‌ها را بیان می‌کنیم. ذرات بوزونی هم‌زمان می‌توانند تراز انرژی مشابهی را اشغال کنند. اما این حالت برای فرمیون‌ها رخ نمی‌دهد. الکترون نوعی فرمیون است. شاید از خود پرسیده باشید چرا برای نوشتن آرایش الکترونی عناصر، دو الکترون را هم‌زمان در تراز انرژی مشابهی (اوربیتال) قرار می‌دهیم. توجه به این نکته مهم است که دو الکترون هنگامی می‌توانند در تراز انرژی یکسانی قرار بگیرند که از نظر اسپینی در دو جهت مخالف قرار داشته باشند. این تفاوت مهم را می‌توانیم به سیستمی متشکل از تعداد زیادی بوزون و فرمیون گسترش دهیم.

تمام بوزون‌های موجود در سیستم موردنظر می‌توانند هم‌زمان در تراز انرژی مشابهی، مانند تراز انرژی پایه، قرار بگیرند. اما این موضوع برای فرمیون‌ها رخ نمی‌دهد. آن‌ها باید در ترازهای انرژی متفاوتی قرار داشته باشند. از آنجا که بوزون‌ها می‌توانند هم‌زمان تراز انرژی یکسانی را اشغال کنند، چگالش بوز-اینشتین در دمای نزدیک به صفر مطلق اتفاق می‌افتد. فرض کنید گازی با چگالی کم داریم که از بوزون‌ها ساخته شده است. اگر این گاز را تا دمای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق سرد کنیم، تمام بوزون‌های تشکیل‌دهنده گاز به پایین‌ترین تراز انرژی، تراز انرژی پایه می‌روند. به این حالت، چگالش بوز-اینشتین گفته می‌شود. دمایی که پایین‌تر از آن چگالش بوز-اینشتین رخ می‌دهد با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$T_c = ( \frac { n } { \eta (\frac { 3 } { 2 } ) })^ { \frac { 2 } { 3 } } \frac { 2 \pi \hbar ^ 2 } { m k _ B }$$

در رابطه فوق:

• $$T_c$$ دمای بحرانی است که در دماهایی پایین‌تر از آن چگالش بوز-اینشتین رخ می‌دهد.
• n چگالی ذرات یا تعداد بوزون‌ها در سیستم است.
• m جرم بوزون‌های موجود در سیستم است.

پس از قرار گرفتن بوزون‌ها در تراز انرژی پایه، اتفاقات جالبی رخ می‌دهند. در این حالت می‌توانیم اثرات کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی مشاهده کنیم. به عنوان مثال، پدیده ابرشارگی در چگالش بوز-اینشتین مشاهده می‌شود. ابرشاره، سیالی است که می‌تواند برای همیشه جریان داشته باشد و هیچ نیروی مقاومتی را احساس نکند. در چگالش بوز-اینشتین همان‌طور که از نام آن مشخص است ماده بسیال چگال می‌شود. در دمای نزدیک به صفر مطلق، ذرات تشکیل‌دهنده ماده نمی‌توانند با سرعت بالایی ارتعاش کنند.

فیزیک‌دان‌ها به دنبال رسیدن به دماهایی بسیار کوچک، در حدود نانو کلوین، هستند. این دما، میلیون‌ها مرتبه سردتر از دمای فضای بین‌ستاره‌ای است. نانو کلوین کوچک‌ترین دمایی است که تاکنون توانسته‌اند به آن دست یابند. در این دما، فیزیک‌دان‌ها می‌توانند قوانین بنیادی طبیعت را به صورت تجربی مشاهده کنند. در حدود ۶ سال قبل، پژوهش‌گران دانشگاه MIT اتم‌های سدیم را تا دمایی بسیار پایین و نزدیک به صفر کلوین سرد کردند. برای انجام این آزمایش مراحل زیر طی شد:

• ابتدا با استفاده از کوره، دمای اتم‌های سدیم تا حدود ۷۰۰ درجه فارنهایت افزایش یافت. در این حالت، اتم‌های سدیم از یکدیگر جدا می‌شوند. برای انجام این آزمایش به اتم‌های تکی نیاز بود.
• پس از جدا شدن اتم‌های سدیم، آن‌ها را در معرض نور لیزر قرار دادند. در نگاه نخست این‌گونه به نظر می‌رسد که اتم‌ها پس از برخورد لیزر به آن‌ها گرم می‌شوند. اما این‌گونه نیست و از لیزر برای کاهش دما استفاده شد. اتم در جهت مشخصی حرکت می‌کند. لیزر در جهت مخالف حرکت اتم به آن برخورد می‌کند و سبب کاهش سرعت آن می‌شود. این کار در محفظه خلأ انجام شد. در این محفظه میلیون‌ها اتم تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد شدند. اما توجه به این نکته مهم است که با دانشمندان با استفاده از لیزر نتوانستند به دمای نانو کلوین برسند. از این‌رو، از تکنیک دیگری استفاده شد.

• در مرحله سوم، از سرمایشی به نام سرمایش تبخیری استفاده شد. این مرحله مشابه اتفاقی است که برای لیوان چای رخ می‌دهد. چای با قرار گرفتن در محیط و پس از گذشت مدت زمانی مشخص، سرد می‌شود. با فوت کردن چای، سرد شدن آن سریع‌تر انجام می‌شود. در این مرحله از میدان مغناطیسی استفاده شد. اتم‌های سدیم در معرض میدان مغناطیسی قرار گرفتند و اتم‌هایی با دمای بیشتر به بیرون پرتاب شدند. دمای اتم‌های سدیم پس از گذشت چند دقیقه به نانو کلوین رسید. در این دما، اتم‌ها به اندازه‌ای سرد شدند که هویت فردی خود را از دست دادند و به حالت جدیدی از ماده به نام چگالش بوز-اینشتین تبدیل شدند. پژوهشگران دانشگاه MIT توانستند به دمایی در حدود ۱۱۷ نانو کلوین برسند.

چگالش بوز-اینشتین می‌تواند به ما در مورد ستاره‌های نوترونی و رفتار آن‌ها یا لحظاتی پس از بیگ‌بنگ را آموزش دهد.

دمای صفر مطلق بیان دیگری از قانون سوم ترمودینامیک است. در بخش بعد در مورد این قانون و رابطه آن با صفر مطلق صحبت می‌کنیم.

قانون سوم ترمودینامیک و صفر مطلق

قانون سوم نیوتن در مورد صفر مطلق صحبت می‌کند. دما می‌تواند بسیار بالا یا بسیار پایین باشد. تاکنون حد بالایی برای دما پیشنهاد نشده، اما برای دماهای پایین حد پایینی به نام صفر مطلق تعیین شده است. همان‌طور که در ابتدای این بخش اشاره کردیم دما به صورت مقدار انرژی گرمایی موجود در سیستم تعریف می‌شود. با کاهش دما، انرژی درونی سیستم نیز کاهش می‌یابد. دلیل این موضوع آن است که انرژی درونی سیستم به صورت مستقیم با دما تغییر می‌کند. با کاهش انرژی درونی، انرژی جنبشی نیز کاهش می‌یابد. با رسیدن دما به صفر مطلق، هیچ انرژی جنبشی وجود نخواهد داشت. نبود انرژی جنبشی در سیستم به معنای نبود دما در آن سیستم است. به این حالت صفر مطلق گفته می‌شود.

هر ماده‌ای، حتی هیدروژن و هلیوم، در صفر مطلق به حالت جامد تبدیل می‌شود. بر طبق قانون سوم ترمودینامیک، آنتروپی هر ماده کریستالی در صفر مطلق برابر صفر خواهد بود:

$$ S = 0 $$

توجه به این نکته مهم است که هر نقصی در ساختار کریستالی مانع از رسیدن آن به دمای صفر مطلق می‌شود. صفر بودن آنتروپی هر ماده کریستالی در صفر مطلق شرط لازم برای معادله بولتزمن، $$S = k \ln W$$، است. اگر انرژی جنبشی وجود نداشته باشد، هیچ چیز حرکت نخواهد کرد. بنابراین، ذرات می‌توانند تنها در یک حالت میکروسکوپی قرار بگیرند. از این‌رو، مقدار W برابر یک و مقدار آنتروپی برابر صفر خواهد بود. در نتیجه، آنتروپی هر ماده‌ای در صفر مطلق برابر صفر است. اما همان‌گونه که در بخش‌های قبل اشاره شد هرگز نمی‌توانیم به دمای صفر مطلق برسیم. این جمله بیان دیگری از قانون سوم نیوتن است. بر طبق این قانون، هیچ سیستمی نمی‌تواند با تعداد محدودی مرحله به دمای صفر مطلق برسد.

آیا الکترون ها در صفر مطلق حرکت می‌ کنند؟

تا اینجا در مورد صفر مطلق صحبت کردیم و قانون سوم ترمودینامیک را توضیح دادیم. در صفر مطلق اتم‌ها نمی‌توانند حرکت کنند و حالت پنجم ماده به نام چگالش بوز- اینشتین در نزدیکی این دما رخ می‌دهد. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که در صفر مطلق چه اتفاقی برای الکترون‌ها رخ می‌دهد. آیا آن‌ها می‌توانند در این دما به دور هسته اتم حرکت کنند؟ بله. اگر دانشمندان بتوانند به دمای صفر مطلق برسند و به رفتار الکترون‌ها در این دما از نزدیک نگاه کنند، به این نکته جالب پی خواهند برد که الکترون‌ها حتی در این دما نیز به دور هسته حرکت می‌کنند. اتم‌های تشکیل‌دهنده ماده جامد توسط فنرهای فرضی به یکدیگر متصل شده‌اند و این فنرها در دماهای بالاتر از صفر مطلق، حول نقطه تعادل نوسان می‌کنند. با کاهش دما، دامنه این ارتعاشات کاهش می‌یابد.

حتی با رسیدن به صفر مطلق، اتم‌ها حرکت می‌کنند. این حرکت به دلیل اثرات فیزیک کوانتوم است. دلیل اصلی این موضوع به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مربوط می‌شود. اگر الکترون‌ها در صفر مطلق به طور کامل متوقف شوند، مکان آن‌ها را می‌توانیم به طور دقیق تعیین کنیم. بر طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، با دانستن مکان ذره کوانتومی، هیچ اطلاعی از تکانه آن نخواهیم داشت. بنابراین، تکانه ذره و انرژی جنبشی آن بسیار بزرگ و نزدیک به بی‌نهایت خواهد بود. در نتیجه، حتی اگر می‌توانستیم به دمای صفر مطلق برسیم، الکترون‌ها باز هم در این دما و به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، به دور هسته حرکت می‌کردند.

صفر مطلق از کجا آمد؟

این دما از مشاهده و انجام آزمایش‌های تجربی آمد. همچنین، وجود آن با استفاده از فرمول‌های ریاضی پیچیده توسط فیزیک‌دان‌های نظری پیش‌بینی شد. کلوین در سال ۱۸۴۸ میلادی آزمایش مهمی انجام داد. او حجم گازها را در دماهای مشخصی اندازه گرفت. به عنوان مثال، او حجم گازی مشخص را در دمای صفر درجه سلسیوس اندازه گرفت. سپس، او دمای گاز را به اندازه یک درجه سلسیوس افزایش داد و دوباره حجم گاز را اندازه گرفت. او به نتیجه بسیار جالبی رسید. حجم گاز پس از افزایش دمای آن، به اندازه $$\frac { 1 } { 273 } $$ نسبت به حجم اولیه آن افزایش یافت. در ادامه، کلوین دمای گاز را از صفر درجه سلسیوس به اندازه یک درجه سلسیوس کاهش داد. در کمال ناباوری، این‌بار حجم گاز به اندازه $$\frac { 1 } { 273 } $$ مقدار حجم آن در دمای صفر درجه، کاهش یافت. در ادامه، کلوین داده‌های به‌دست آمده را روی نمودار دما برحسب حجم رسم کرد.

کلوین سه دما و سه حجم به‌دست آورد. آن‌ها را روی نمودار رسم کرد و مشاهده کرد که این سه نقطه روی خطی مستقیم با شیب مثبت قرار دارند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که کلوین چگونه با استفاده از این نمودار توانست صفر مطلق را پیش‌بینی کند. برای انجام این کار، کلوین دما را کاهش و خط آبی‌رنگ را ادامه داد. همان‌طور که از خط رسم شده مشخص است، با کاهش دما، حجم کاهش می‌یابد. کلوین با به‌دست آوردن معادله خط و ادامه دادن آن مشاهده کرد که خط آبی، نمودار افقی (دما) را در دمایی در حدود ۲۷۳- قطع می‌کند.

کلوین به این نتیجه رسید که با کاهش دمای گاز به مقدار ۲۷۳- درجه سلسیوس، حجم گاز برابر صفر می‌شود. نتیجه به‌دست آمده توسط این فیزیک‌دان، هیچ منطقی نداشت. بنابراین، او به این نتیجه رسید که برای دما حد پایینی به نام صفر مطلق وجود دارد. در نتیجه، انجام آزمایش توسط کلوین در سال ۱۸۳۴ میلادی همان جایی بود که وجود صفر مطلق اثبات شد و برای دما حد پایینی برابر ۲۷۳/۱۵- درجه سلسیوس مشخص شد.

در صفر مطلق چه اتفاقی رخ می دهد؟

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، در دمایی نزدیک به صفر مطلق حالت پنجم ماده به نام چگالش یوز-اینشتین مشاهده شد. اتفاقات جالب دیگری نیز ممکن است در دماهای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق رخ دهد. در حدود ۱۴ سال قبل فیزیک‌دان‌ها مشاهده کردند که مولکول‌ها در گاز بسیار سرد می‌توانند در فاصله‌هایی در حدود ۱۰۰ مرتبه بزرگ‌تر از دمای اتاق، واکنش شیمیایی انجام دهند. در آزمایش‌های انجام شده در دماهایی نزدیک به دمای اتاق، سرعت انجام واکنش‌های شیمیایی با کاهش دما، کاهش می‌یابد. اما دانشمندان به این نتیجه رسیدند که مولکول‌ها در دمای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق، هنوز می‌توانند با یکدیگر تبادل اتم داشته باشند. این امر به دلیل آن است که اثرات کوانتومی در دماهای بسیار پایین به خوبی خود را نشان می‌دهند.

سردترین مکان در منظومه شمسی کجاست؟

کمترین دمای اندازه‌گیری شده در منظومه‌شمسی روی ماه قرار دارد. یکی از کاوشگرهای ناسا در سال ۲۰۰۹ میلادی توانست دمای دهانه‌های تاریک در نزدیکی قطب جنوب ماه را در حدود ۲۴۰- درجه سلسیوس اندازه‌گیری کند. دمای این نقطه در حدود ۱۰ درجه سردتر از دماهای اندازه‌گیری شده روی سطح سیاره پلوتون است.

سردترین جسم طبیعی در کیهان چیست؟

سحابی بومرنگ سردترین منطقه شناخته شده در کیهان است. این سحابی در فاصله ۵۰۰ سال نوری از ما و در صورت فلکی قنطورس قرار دارد. دانشمندان در سال ۱۹۹۷ میلادی گزارش دادند که گازهای خارج شده از ستاره مرکزیِ در حال مرگ منبسط و به سرعت تا دمای یک کلوین سرد شده‌اند. به طور معمول، ابرهای گازی در فضا توسط پس‌زمینه مایکروویو کیهانی تا دمایی در حدود ۲/۷ کلوین گرم می‌شوند. اما انبساط سحابی بومرنگ، نوعی یخچال کیهانی ایجاد می‌کند. به همین دلیل، دمای گازهای تابیده شده از ستاره مرکزی در حدود یک کلوین ثابت می‌ماند.

کمترین دمای به دست آمده در آزمایشگاه چه مقدار است؟

در سال ۲۰۰۳ میلادی، پژوهگران دانشگاه MIT توانستند اتم‌های سدیم را تا دمایی نزدیک به ۰/۴۵ نانوکلوین سرد کنند. قبل‌تر از این تاریخ، دانشمندان دانشگاه هلسینکی در فنلاند توانسته بودند به دمایی در حدود ۰/۱ نانوکلوین برسند.

گازها چه رفتار عجیبی را می توانند در دماهای نزدیک به صفر مطلق از خود نشان دهند؟

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد انرژی گرمایی یا حرارت در جامدات، مایعات و گازها از حرکت مولکول‌ها و اتم‌های تشکیل‌دهنده آن‌ها ناشی می‌شود. اما در دماهای بسیار پایین، قوانین عجیب مکانیک کوانتوم ظاهر می‌شوند. مولکول‌ها در این حالت به گونه‌ای که می‌شناسیم با یکدیگر برخورد نمی‌کنند. به جای آن، امواج کوانتومی آن‌ها گسترش می‌یابند و یکدیگر را پوشش می‌دهند. در این حالت، چگالش بوز-اینشتین ایجاد می‌شود و تمام اتم‌ها مانند اتمی بسیار بزرگ رفتار می‌کنند.

چرا کمترین دما در کیهان صفر مطلق نام دارد؟

دما، همانند صفر مطلق، در تمام چارچوب‌های مرجع یکسان هستند. حرکت هر جسم به چارچوب مرجعی که در آن قرار داریم، بستگی دارد. به عنوان مثال، مسافری که داخل قطار در حال حرکتی نشسته است، از دید مسافران داخل قطار، ساکن اما از دید ناظر روی زمین، متحرک است. شاید با خود بگویید دما نیز همان حرکت اتم‌ها در ماده است. اما حرکت اتم‌ها داخل ماده متفاوت از حرکت معمولی است که می‌شناسیم و تحت‌تاثیر انتخاب چارچوب مرجع قرار دارد. حرکت جسم همان توصیف حرکت کلی جسم نسبت به چارچوب مرجعی مشخص است. هر جسم از تعداد زیادی اتم ساخته شده است. این اتم‌ها به صورت تصادفی به اطراف حرکت می‌کنند. بنابراین، حرکت کلی جسم در واقع، میانگینی از حرکت جهت‌دار تمام اتم‌های آن است. پس از میانگین‌گیری، تمام حرکت‌های تصادفی اتم‌ها در جهت‌های مخالف یکدیگر را خنثی می‌کنند و در نهایت، جهتی مشخص باقی می‌ماند.

برخلاف حرکت جسم، حرکت گرمایی حرکت اتم‌های تشکیل‌دهنده جسم را نسبت به یکدیگر توصیف می‌کند. این حرکت هیچ ارتباطی به انتخاب چارچوب مرجع ندارد. بنابراین، حزکت گزمایی مستقل از نوع چارچوب مرجع است. حرکت گرمایی همان چیزی است که دمای جسم را به ما می‌دهد. در نتیجه، دمای اجسام به انتخاب چارچوب مرجع وابسته نیست. به عنوان مثالی، توپی را با سرعت مشخصی پرتاب می‌کنید. سرعت حرکت توپ از دید ناظر ساکن روی زمین با ناظری که داخل اتومبیل متحرک است، تفاوت خواهد داشت. اما دمای توپ از دید تمام ناظرهای یکسان است. از آنجا که دمای جسم با متوسط انرژی جنبشی اتم‌های تشکیل‌دهنده آن متناسب است، دمای مطلقِ کمینه‌ای وجود خواهد داشت که جسم فراتر از آن نمی‌تواند سرد شود. در این نقطه که در آن تمام اتم‌ها نسبت به یکدیگر به طور کامل متوقف می‌شوند، صفر مطلق می‌گوییم.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس در مورد دمای صفر مطلق، کمترین دمای ممکن در کیهان، صحبت کردیم. این دما برابر ۲۷۳/۱۵- درجه سلسیوس و ۴۵۹/۷۶- درجه فارنهایت است. کلوین برای نخستین بار در آزمایشی جالب، صفر مطلق را مطرح کرد. او در این آزمایش با گرفتن گرما از گازی دلخواه، حجم آن را اندازه گرفت و به این نتیجه رسید که در دمای ۲۷۳/۱۵- درجه سلسیوس حجم گاز و انرژی جنبشی اتم‌های تشکیل‌دهنده آن برابر صفر می‌شود. این دما همانند نقطه جوش یا نقطه ذوب نیست که از ماده‌ای به ماده دیگر تغییر کند، بلکه مقدار آن برای تمام مواد یکسان است. کلوین مقیاس دمای ترمودینامیکی ایجاد کرد که با استفاده از می‌‌توان مقدار انرژی جنبشی در هر ماده دلخواه را اندازه گرفت. پس از مطرح شدن صفر مطلق، بسیاری از دانشمندان برای رسیدن یا نزدیک شدن به این دما تلاش کرده‌اند. امروزه، پژوهشگران توانسته‌اند به دمای چند نانوکلوین نزدیک شوند.

دانشمندان امروزه به این نتیجه رسیده‌اند که صفر مطلق به معنای توقف کامل حرکت نیست، بلکه به معنای کمینه شدن آن است. این موضوع به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مربوط می‌شود. بر طبق این صل نمی‌توان هم‌زمان مکان و تکانه ذره را به طور دقیق اندازه گرفت. توقف کامل حرکت به معنای دانستن دقیق مکان ذره و تکانه آن است. موضوعی که بر طبق اصل عدم قطعیت امکان‌پذیر نیست. در نتیجه، گرچه نمی‌توان به دمای صفر مطلق رسید، اما می‌توان به این دما تا حد امکان نزدیک شد. در نزدیکی صفر مطلق، ماده می‌تواند خواص جالبی مانند ابرشارگی یا چگالش بوز-اینشتین از خود نشان دهد.