الصفر المطلق

📅 آخر تحديث: ١٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

يُعرَّف الصفر المطلق بالصفر كلفن (−273.15 °C). 

الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة نظريًا، وهي الحالة التي تصل فيها الطاقة الداخلية للنظام ، وفي الحالات المثالية، الإنتروبيا ، إلى أدنى قيمها. يُعرَّف مقياس كلفن  بحيث يكون الصفر المطلق هو 0 كلفن، أي ما يعادل -273.15  درجة مئوية على مقياس سيليزيوس ، [ 1 ] [ 2 ] و-459.67  درجة فهرنهايت على مقياس فهرنهايت . [ 3 ] يحدد مقياسا كلفن ورانكين درجة الصفر عند الصفر المطلق بحكم التعريف . ويمكن تقدير هذا الحد باستقراء قانون الغاز المثالي إلى درجة الحرارة التي يصبح عندها حجم أو ضغط الغاز الكلاسيكي صفرًا.

على الرغم من إمكانية الاقتراب من الصفر المطلق، إلا أنه لا يمكن بلوغه. بعض العمليات متساوية الإنتروبيا ، كالتمدد الأديباتي ، قادرة على خفض درجة حرارة النظام دون الحاجة إلى وسط أبرد. مع ذلك، ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن لأي عملية فيزيائية الوصول إلى الصفر المطلق في عدد محدود من الخطوات. كلما اقترب النظام من هذا الحد، يصبح خفض درجة الحرارة أكثر صعوبة، بغض النظر عن طريقة التبريد المستخدمة. في عام ٢٠١٨، حقق علماء في جامعة بريمن درجات حرارة منخفضة تصل إلى ٣٨ بيكو كلفن (pK)، أي ٣٨ جزءًا من تريليون من الدرجة فوق الصفر المطلق. [ ٤ ] [ ٥ ] [ ٦ ] عند هذه الدرجات المنخفضة، تُظهر المادة ظواهر ميكانيكية كمومية غريبة ، مثل الموصلية الفائقة ، والميوعة الفائقة ، وتكثيف بوز-أينشتاين . لا تزال الجسيمات تُظهر حركة طاقة نقطة الصفر ، وفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، وبالنسبة لنظام من الفرميونات، وفقًا لمبدأ استبعاد باولي .

قوانين الغاز المثالي

تتجه جميع مخططات الضغط ودرجة الحرارة لثلاث عينات غازية مختلفة، تم قياسها عند حجم ثابت، إلى الصفر عند نفس النقطة، وهي الصفر المطلق.

بالنسبة للغاز المثالي ، يتناقص الضغط عند ثبات الحجم خطيًا مع درجة الحرارة، كما يتناقص الحجم عند ثبات الضغط خطيًا مع درجة الحرارة. وعند التعبير عن هذه العلاقات باستخدام مقياس سيليزيوس ، يؤول كل من الضغط والحجم إلى الصفر عند درجة حرارة تقارب -273.15 درجة مئوية. وهذا يعني وجود حد أدنى لدرجة الحرارة، يتجاوزه يصبح للغاز ضغط أو حجم سالب، وهي نتيجة غير منطقية. [ 7 ] [ 8 ]

ولحل هذه المشكلة، يُطرح مفهوم درجة الحرارة المطلقة، حيث تُعرَّف الصفر المطلق (0 كلفن) بأنه النقطة التي ينعدم عندها الضغط أو الحجم في الغاز المثالي. وتُعادل هذه الدرجة -273.15 درجة مئوية، وتُعرف بالصفر المطلق. ولذلك، يُصاغ قانون الغاز المثالي بدلالة درجة الحرارة المطلقة ليتوافق مع سلوك الغاز المرصود والحدود الفيزيائية. [ 9 ]

مقاييس درجة الحرارة المطلقة

تُقاس درجة الحرارة المطلقة عادةً بمقياس كلفن (باستخدام وحدات قياس مئوية ) [ 1 ] ، ونادرًا ما تُقاس بمقياس رانكين (باستخدام وحدات قياس فهرنهايت ). ويُحدد قياس درجة الحرارة المطلقة بشكل فريد بواسطة ثابت ضربي يُحدد قيمة الدرجة ، لذا فإن نسب درجتي حرارة مطلقتين، T2 / T1 ، تكون متطابقة في جميع المقاييس.

تظهر درجة الحرارة المطلقة بشكل طبيعي في الميكانيكا الإحصائية . ففي توزيعات ماكسويل-بولتزمان ، وفيرمي-ديراك ، وبوز-أينشتاين ، تظهر درجة الحرارة المطلقة في العامل الأسي الذي يحدد كيفية توزيع الجسيمات على مستويات الطاقة. تحديدًا، يعتمد العدد النسبي للجسيمات عند طاقة معينة E بشكل أسي على E/kT ، حيث k هو ثابت بولتزمان و T هي درجة الحرارة المطلقة.

استحالة الوصول إلى الصفر المطلق

الجانب الأيسر: يمكن الوصول إلى الصفر المطلق في عدد محدود من الخطوات إذا كان S ( 0 , X1 ) ≠ S (0, X2 ) . الجانب الأيمن: يلزم عدد لا نهائي من الخطوات لأن S (0, X1 ) = S (0, X2 ) . هنا، X هو أحد المعاملات القابلة للتحكم في النظام، مثل حجمه أو ضغطه .

يتناول القانون الثالث للديناميكا الحرارية سلوك الإنتروبيا مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق. وينص على أن إنتروبيا النظام تقترب من قيمة دنيا ثابتة عند الصفر المطلق (0  كلفن). بالنسبة للبلورة المثالية ، تُعتبر هذه القيمة الدنيا صفرًا، لأن النظام سيكون في حالة ترتيب مثالي مع وجود حالة مجهرية واحدة فقط . في بعض الأنظمة، قد توجد أكثر من حالة مجهرية عند الحد الأدنى للطاقة، وتوجد إنتروبيا متبقية عند الصفر المطلق (0  كلفن) . [ 10 ]

توجد عدة صيغ أخرى للقانون الثالث للديناميكا الحرارية. تنص نظرية نيرنست للحرارة على أن التغير في الإنتروبيا لأي عملية ذات درجة حرارة ثابتة يؤول إلى الصفر كلما اقتربت درجة الحرارة من الصفر. [ 11 ] ومن النتائج الرئيسية لذلك أنه لا يمكن الوصول إلى الصفر المطلق، لأن إزالة الحرارة تصبح أقل كفاءة بشكل متزايد، وتتلاشى تغيرات الإنتروبيا. ويعني مبدأ عدم إمكانية الوصول هذا أنه لا يمكن لأي عملية فيزيائية تبريد نظام إلى الصفر المطلق في عدد محدود من الخطوات أو في زمن محدود. [ 12 ]

الخواص الحرارية عند درجات الحرارة المنخفضة

باستخدام نموذج ديباي ، تتناسب الحرارة النوعية والإنتروبيا لبلورة نقية طرديًا مع T³ ، بينما تتناسب الإنثالبي والجهد الكيميائي طرديًا مع T⁴ (جوجنهايم، ص 111 ). تتناقص هذه الكميات تدريجيًا نحو قيمها الحدية عند T = 0  ، وتقترب منها بميل صفري . بالنسبة للحرارة النوعية على الأقل، فإن القيمة الحدية نفسها تساوي صفرًا قطعًا، كما أثبتت التجارب حتى درجات حرارة أقل من 10 كلفن. حتى نموذج أينشتاين الأقل تفصيلًا يُظهر هذا الانخفاض الغريب في الحرارة النوعية. في الواقع، تتلاشى جميع أنواع الحرارة النوعية عند الصفر المطلق، وليس فقط حرارة البلورات. وينطبق الأمر نفسه على معامل التمدد الحراري . تُظهر علاقات ماكسويل أن العديد من الكميات الأخرى تتلاشى أيضًا. كانت هذه الظواهر غير متوقعة.     

يُعدّ نموذج غاز فيرمي أحد النماذج التي تُقدّر خصائص غاز الإلكترونات عند الصفر المطلق في المعادن . وبما أن الإلكترونات جسيمات فيرميونية ، فلا بدّ أن تكون في حالات كمومية مختلفة ، مما يؤدي إلى حصولها على سرعات نموذجية عالية جدًا ، حتى عند الصفر المطلق. تُسمى أقصى طاقة يمكن أن تمتلكها الإلكترونات عند الصفر المطلق طاقة فيرمي . تُعرَّف درجة حرارة فيرمي بأنها هذه الطاقة القصوى مقسومة على ثابت بولتزمان، وهي في حدود 80,000 كلفن لكثافات الإلكترونات النموذجية الموجودة في المعادن. عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارة فيرمي، تتصرف الإلكترونات بنفس الطريقة تقريبًا كما في حالة الصفر المطلق. وهذا يُفسّر فشل نظرية التوزيع المتساوي للطاقة الكلاسيكية للمعادن، والتي عجز الفيزيائيون الكلاسيكيون عن تفسيرها في أواخر القرن التاسع عشر.

طاقة جيبس ​​الحرة

بما أن العلاقة بين التغيرات في طاقة جيبس ​​الحرة ( G ) والمحتوى الحراري ( H ) والإنتروبيا هي

Δجي=Δح-تيΔS{\displaystyle \Delta G=\Delta HT\Delta S\,}

وبالتالي، مع انخفاض درجة الحرارة (T) ، تتقارب قيمتا ΔG وΔH ( طالما أن ΔS محدودة ). وقد وُجد تجريبياً أن جميع العمليات التلقائية (بما في ذلك التفاعلات الكيميائية ) تؤدي إلى انخفاض في قيمة G أثناء تقدمها نحو حالة الاتزان . إذا كانت قيمتا ΔS و /أو T صغيرتين، فإن الشرط ΔG <  0  قد يعني أن ΔH <  0  ، مما يشير إلى تفاعل طارد للحرارة . ومع ذلك، ليس هذا شرطاً؛ إذ يمكن أن تحدث التفاعلات الماصة للحرارة تلقائياً إذا كانت قيمة T ΔS كبيرة بما يكفي.

علاوة على ذلك، فإن ميول مشتقات ΔG و ΔH تتقارب وتساوي الصفر عند T = 0. وهذا يضمن أن ΔG و ΔH متماثلتان تقريبًا على مدى نطاق كبير من درجات الحرارة ويبرر المبدأ التجريبي التقريبي لـ Thomsen و Berthelot، والذي ينص على أن حالة التوازن التي يصل إليها النظام هي تلك التي تطلق أكبر قدر من الحرارة ، أي أن العملية الفعلية هي الأكثر طردًا للحرارة (Callen، ص 186-187).   

طاقة النقطة الصفرية

كثافات الاحتمال والطاقات (المشار إليها بإزاحة) لحالات الطاقة الذاتية الأربع الأدنى لمذبذب توافقي كمومي . ZPE تشير إلى طاقة النقطة الصفرية.

حتى عند الصفر المطلق، يحتفظ النظام الكمومي بحد أدنى من الطاقة بسبب مبدأ هايزنبرغ للشك ، الذي يمنع الجسيمات من امتلاك كلٍ من الموضع والزخم المحددين بدقة. تُعرف هذه الطاقة المتبقية بطاقة النقطة الصفرية . في حالة المذبذب التوافقي الكمومي ، وهو نموذج قياسي للاهتزازات في الذرات والجزيئات، فإن الشك في زخم الجسيم يعني أنه يجب أن يحتفظ ببعض الطاقة الحركية ، بينما يُسهم الشك في موضعه في طاقة الوضع . ونتيجةً لذلك، يمتلك هذا النظام طاقة غير صفرية عند الصفر المطلق. [ 13 ]

تساعد طاقة النقطة الصفرية في تفسير بعض الظواهر الفيزيائية. فعلى سبيل المثال، لا يتجمد الهيليوم السائل عند الضغط الجوي العادي، حتى عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. وتمنع الحركة الكبيرة لذرات الهيليوم عند النقطة الصفرية، والناتجة عن كتلتها المنخفضة وقوى التجاذب بينها الضعيفة، من استقرارها في بنية صلبة. ولا يتجمد الهيليوم إلا تحت ضغط عالٍ، حيث تُجبر الذرات على التقارب وتزداد قوى التجاذب بينها قوةً. [ 13 ]

تاريخ

روبرت بويل ، الذي كان رائداً في فكرة الصفر المطلق.

كان روبرت بويل من أوائل من ناقشوا إمكانية وجود درجة حرارة دنيا مطلقة . وقد أوضح في كتابه " تجارب وملاحظات جديدة حول البرودة" الصادر عام 1665 ، الجدل المعروف باسم " البرودة الأولية" . [ 14 ] كان هذا المفهوم شائعًا بين علماء الطبيعة في ذلك الوقت. فقد زعم البعض وجود درجة حرارة دنيا مطلقة داخل الأرض (كأحد العناصر الكلاسيكية الأربعة )، وزعم آخرون وجودها داخل الماء، وآخرون داخل الهواء، وزعم البعض مؤخرًا وجودها داخل النترات . ولكن يبدو أن جميعهم اتفقوا على أنه "يوجد جسم ما يتميز بطبيعته بالبرودة الشديدة، وبمشاركته تكتسب جميع الأجسام الأخرى هذه الخاصية". [ 15 ]

الحد الأقصى لدرجة البرودة

تناول الفيزيائي الفرنسي غيوم أمونتونس لأول مرة مسألة ما إذا كان هناك حدٌّ لدرجة البرودة الممكنة، وإن وُجد، فأين يجب وضع الصفر؟ وذلك في سياق تحسيناته لمقياس حرارة الهواء . أشار جهازه إلى درجات الحرارة من خلال الارتفاع الذي تدعم عنده كتلة معينة من الهواء عمودًا من الزئبق - أي ضغط الهواء، أو "مرونته"، الذي يتغير بتغير درجة الحرارة. لذا، جادل أمونتونس بأن صفر مقياسه هو درجة الحرارة التي تنعدم عندها مرونة الهواء. [ 16 ] استخدم مقياسًا يُشير إلى نقطة غليان الماء عند +73 ونقطة انصهار الجليد عند +51 ½ ، بحيث يُعادل الصفر حوالي -240 على مقياس سيليزيوس. [ 17 ] رأى أمونتونس أنه لا يمكن الوصول إلى الصفر المطلق ، ولذلك لم يُحاول حسابه صراحةً. [ 18 ] تم نشر قيمة -240  درجة مئوية، أو "431 قسمًا [في مقياس فهرنهايت] تحت برودة الماء المتجمد" [ 19 ] بواسطة جورج مارتين في عام 1740.

وقد تم تحسين هذا التقريب الدقيق للقيمة الحديثة البالغة -273.15  درجة مئوية [ 1 ] لصفر مقياس حرارة الهواء في عام 1779 بواسطة يوهان هاينريش لامبرت ، الذي لاحظ أن -270 درجة مئوية (-454.00 درجة فهرنهايت؛ 3.15 كلفن) يمكن اعتبارها برودة مطلقة. [ 20 ]   

مع ذلك، لم تكن قيمٌ من هذا القبيل للصفر المطلق مقبولةً عالميًا في تلك الفترة. فقد توصل بيير سيمون لابلاس وأنطوان لافوازييه ، في أطروحتهما عن الحرارة عام 1780، إلى قيم تتراوح بين 1500 و3000 درجة مئوية تحت درجة تجمد الماء، ورأوا أنه في جميع الأحوال يجب أن تكون أقل بـ 600 درجة مئوية على الأقل. وقدّم جون دالتون في كتابه "الفلسفة الكيميائية" عشرة حسابات لهذه القيمة، واعتمد في النهاية -3000  درجة مئوية كصفر طبيعي لدرجة الحرارة.

قانون تشارلز

في الفترة من 1787 إلى 1802، تم تحديد أن الغازات المثالية ، عند ضغط ثابت ، تتمدد أو تنكمش حجمها خطيًا ( قانون شارل ) بمقدار 1/273 جزء لكل درجة مئوية من تغير درجة الحرارة صعودًا أو هبوطًا، بين 0 و100 درجة مئوية . وقد أشار هذا إلى أن حجم الغاز المبرد عند حوالي -273 درجة مئوية سيصل إلى الصفر .  

عمل اللورد كلفن

بعد أن حدد جيمس بريسكوت جول المكافئ الميكانيكي للحرارة، تناول اللورد كلفن المسألة من منظور مختلف تمامًا، وفي عام 1848 ابتكر مقياسًا لدرجة الحرارة المطلقة مستقلًا عن خصائص أي مادة معينة، ومبنيًا على نظرية كارنو للقوة الدافعة للحرارة وبيانات نشرها هنري فيكتور رينو . [ 23 ] وبناءً على المبادئ التي بُني عليها هذا المقياس، وُضعت نقطة الصفر عند -273  درجة مئوية، وهي تقريبًا نفس نقطة الصفر في مقياس حرارة الهواء، [ 17 ] حيث يصل حجم الهواء إلى "الصفر". لم تُقبل هذه القيمة على الفور؛ إذ ظلت قيم تتراوح بين -271.1 درجة مئوية (-455.98 درجة فهرنهايت) و -274.5 درجة مئوية (-462.10 درجة فهرنهايت) ، المستمدة من القياسات المختبرية وملاحظات الانكسار الفلكي ، مستخدمة في أوائل القرن العشرين. [ 24 ]    

أدى استخدام قياس درجة حرارة الغاز عالي الدقة في ثلاثينيات القرن العشرين إلى تضييق نطاق القيمة. ففي عام 1937، نشر ماساو كينوشيتا وجيرو أويشي قياسات لمعاملات التمدد والضغط للنيتروجين والهيدروجين والهيليوم والنيون، واستنتجا درجة الحرارة المطلقة عند 0 درجة مئوية . [ 25 ] وفي وقت لاحق، حدد متحف وأرشيف طوكيو للتكنولوجيا قياسات كينوشيتا وأويشي، التي أعطت قيمة قريبة من 273.15 كلفن لنقطة تجمد الجليد، كجزء من الأساس التجريبي للقيمة المعتمدة في مناقشات قياس درجة الحرارة عام 1954. [ 26 ]

السباق نحو الصفر المطلق

لوحة تذكارية في ليدن

مع تحسن الفهم النظري للصفر المطلق، سعى العلماء جاهدين للوصول إلى هذه الدرجة في المختبر. [ 27 ] وبحلول عام 1845، تمكن مايكل فاراداي من تسييل معظم الغازات المعروفة آنذاك، وحقق رقماً قياسياً جديداً لأدنى درجات الحرارة بوصوله إلى -130 درجة مئوية (-202 درجة فهرنهايت؛ 143 كلفن) . كان فاراداي يعتقد أن بعض الغازات، مثل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين ، غازات دائمة ولا يمكن تسييلها. [ 28 ] وبعد عقود، في عام 1873، أثبت العالم النظري الهولندي يوهانس ديدريك فان دير فالس إمكانية تسييل هذه الغازات، ولكن فقط في ظل ظروف ضغط عالٍ جداً ودرجات حرارة منخفضة جداً. وفي عام 1877، نجح لويس بول كاييتيه في فرنسا وراؤول بيكتيه في سويسرا في إنتاج أولى قطرات الهواء السائل عند درجة حرارة -195 درجة مئوية (-319.0 درجة فهرنهايت؛ 78.1 كلفن) . تبع ذلك في عام 1883 إنتاج الأكسجين السائل عند درجة حرارة -218 درجة مئوية (-360.4 درجة فهرنهايت؛ 55.1 كلفن) من قبل الأستاذين البولنديين زيغمونت فروبليفسكي وكارول أولسزيفسكي .         

تولى الكيميائي والفيزيائي الاسكتلندي جيمس ديوار والفيزيائي الهولندي هايك كامرلينغ أونيس مهمة تسييل الغازات المتبقية، الهيدروجين والهيليوم . في عام 1898، وبعد عشرين عامًا من الجهد، كان ديوار أول من نجح في تسييل الهيدروجين، محققًا رقمًا قياسيًا جديدًا في درجات الحرارة المنخفضة بلغ -252 درجة مئوية (-421.6 درجة فهرنهايت؛ 21.1 كلفن) . مع ذلك، كان كامرلينغ أونيس، منافسه، أول من نجح في تسييل الهيليوم، في عام 1908، باستخدام عدة مراحل تبريد مسبق ودورة هامبسون-ليند . وقد خفض درجة الحرارة إلى نقطة غليان الهيليوم، -269 درجة مئوية (-452.20 درجة فهرنهايت؛ 4.15 كلفن) . من خلال تقليل ضغط الهيليوم السائل، حقق درجة حرارة أقل، تقارب 1.5 كلفن. كانت هذه أبرد درجات الحرارة التي تم تحقيقها على الأرض في ذلك الوقت، وقد أكسبه إنجازه جائزة نوبل في عام 1913. [ 29 ] سيواصل كامرلينغ أونيس دراسة خصائص المواد عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، واصفًا الموصلية الفائقة والموائع الفائقة لأول مرة.      

درجات حرارة سلبية

درجات الحرارة التي تقل عن الصفر على مقياسَي سيليزيوس وفهرنهايت هي ببساطة أبرد من نقطة الصفر في هذين المقياسين. في المقابل، يمكن لبعض الأنظمة المعزولة أن تصل إلى درجات حرارة ديناميكية حرارية سالبة (بالكلفن)، وهي ليست أبرد من الصفر المطلق، بل على العكس، أسخن من أي درجة حرارة موجبة. إذا تلامس نظام ذو درجة حرارة سالبة مع نظام ذي درجة حرارة موجبة، فإن الحرارة تتدفق من النظام ذي درجة الحرارة السالبة إلى النظام ذي درجة الحرارة الموجبة. [ 30 ] [ 31 ]

لا يمكن أن تحدث درجات الحرارة السالبة إلا في الأنظمة التي لها حد أقصى للطاقة التي يمكن أن تحتويها. في هذه الحالات، يمكن أن تؤدي إضافة الطاقة إلى تقليل الإنتروبيا ، مما يعكس العلاقة المعتادة بين الطاقة ودرجة الحرارة. وهذا يؤدي إلى درجة حرارة ديناميكية حرارية سالبة. ومع ذلك، لا تنشأ هذه الظروف إلا في أنظمة متخصصة شبه متوازنة، مثل مجموعات اللف المغزلي في مجال مغناطيسي. في المقابل، لا تمتلك الأنظمة العادية ذات الحركة الانتقالية أو الاهتزازية حدًا أقصى للطاقة، لذا فإن درجات حرارتها تكون دائمًا موجبة. [ 30 ] [ 31 ]

درجات حرارة منخفضة جداً

يبلغ التمدد السريع للغازات الخارجة من سديم بوميرانج ، وهو سديم ثنائي القطب وخيطي، ومن المحتمل أن يكون سديمًا كوكبيًا أوليًا في كوكبة قنطورس، درجة حرارة 1  كلفن، وهي أدنى درجة حرارة تم رصدها خارج المختبر.
بيانات توزيع السرعة لغاز من ذرات الروبيديوم عند درجة حرارة لا تتجاوز بضعة أجزاء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق. اليسار: قبل ظهور مكثف بوز-أينشتاين مباشرةً. الوسط: بعد ظهور المكثف مباشرةً. اليمين: بعد مزيد من التبخر، تاركًا عينة من مكثف نقي تقريبًا.

يبلغ متوسط ​​درجة حرارة الكون اليوم حوالي 2.73 كلفن (-270.42 درجة مئوية؛ -454.76 درجة فهرنهايت) ، استنادًا إلى قياسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي . [ 32 ] [ 33 ] وتتوقع النماذج القياسية لتوسع الكون في المستقبل أن متوسط ​​درجة حرارة الكون يتناقص بمرور الوقت. [ 34 ] تُحسب هذه الدرجة كمتوسط ​​كثافة الطاقة في الفضاء؛ ويجب عدم الخلط بينها وبين متوسط ​​درجة حرارة الإلكترون (إجمالي الطاقة مقسومًا على عدد الجسيمات) الذي ازداد بمرور الوقت. [ 35 ]   

لا يمكن الوصول إلى الصفر المطلق، مع أنه من الممكن الوصول إلى درجات حرارة قريبة منه باستخدام التبريد التبخيري ، والمبردات المبردة ، ومبردات التخفيف ، [ 36 ] وإزالة المغنطة الأديباتية النووية . وقد أدى استخدام التبريد بالليزر إلى إنتاج درجات حرارة أقل من جزء من مليار من الكلفن. [ 37 ] عند درجات حرارة منخفضة للغاية بالقرب من الصفر المطلق، تُظهر المادة العديد من الخصائص غير العادية، بما في ذلك الموصلية الفائقة ، والميوعة الفائقة ، وتكثيف بوز-أينشتاين . ولدراسة هذه الظواهر ، عمل العلماء على الوصول إلى درجات حرارة أقل.

  • في نوفمبر 2000، سُجّلت درجات حرارة دوران نووي أقل من 100 بيكو كلفن في تجربة أُجريت في مختبر درجات الحرارة المنخفضة التابع لجامعة هلسنكي للتكنولوجيا في إسبو ، فنلندا. مع ذلك، كانت هذه درجة حرارة درجة حرية واحدة محددة - خاصية كمومية تُسمى الدوران النووي - وليست متوسط ​​درجة الحرارة الديناميكية الحرارية الإجمالية لجميع درجات الحرية الممكنة. [ 38 ] [ 39 ]
  • في فبراير 2003، لوحظ أن سديم بوميرانج كان يطلق غازات بسرعة 500,000 كم/ساعة (310,000 ميل/ساعة) على مدى الـ 1500 سنة الماضية. وقد أدى ذلك إلى تبريده إلى حوالي 1 كلفن، وفقًا لما استنتجته الملاحظات الفلكية، وهي أدنى درجة حرارة طبيعية مسجلة على الإطلاق. [ 40 ]   
  • في نوفمبر 2003، تم اكتشاف 90377 Sedna وهو أحد أبرد الأجسام المعروفة في النظام الشمسي، حيث يبلغ متوسط ​​درجة حرارة سطحه -240 درجة مئوية (33 كلفن؛ -400 درجة فهرنهايت) ، [ 41 ] بسبب مداره البعيد للغاية الذي يبلغ 903 وحدة فلكية .   
  • في مايو 2005، اقترحت وكالة الفضاء الأوروبية إجراء أبحاث في الفضاء لتحقيق درجات حرارة فيمتوكلفن . [ 42 ]
  • في مايو 2006، قدم معهد البصريات الكمية في جامعة هانوفر تفاصيل عن التقنيات وفوائد أبحاث الفيمتوكلفن في الفضاء. [ 43 ]
  • في يناير 2013، أفاد الفيزيائي أولريش شنايدر من جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونخ بألمانيا بتحقيقه درجات حرارة أقل من الصفر المطلق (" درجة حرارة سالبة ") في الغازات. يتم إخراج الغاز اصطناعياً من حالة التوازن إلى حالة طاقة كامنة عالية، وهي حالة باردة. وعندما يُصدر إشعاعاً، يقترب من حالة التوازن، ويمكنه الاستمرار في الإشعاع رغم بلوغه الصفر المطلق؛ وبالتالي، تكون درجة الحرارة سالبة. [ 44 ]
  • في سبتمبر 2014، قام علماء من فريق CUORE التعاوني في مختبرات غران ساسو الوطنية في إيطاليا بتبريد وعاء نحاسي حجمه متر مكعب واحد إلى 0.006 كلفن (-273.144 درجة مئوية؛ -459.659 درجة فهرنهايت) لمدة 15 يومًا، مسجلين بذلك رقمًا قياسيًا لأدنى درجة حرارة في الكون المعروف على مثل هذا الحجم المتصل الكبير. [ 45 ]   
  • في يونيو 2015، قام علماء الفيزياء التجريبية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتبريد جزيئات في غاز من الصوديوم والبوتاسيوم إلى درجة حرارة 500 نانوكلفن، ومن المتوقع أن تظهر حالة غريبة من المادة عند تبريد هذه الجزيئات بشكل أكبر. [ 46 ]
  • في عام 2017، طُوِّر مختبر الذرات الباردة (CAL)، وهو جهاز تجريبي، لإطلاقه إلى محطة الفضاء الدولية (ISS) في عام 2018. [ 47 ] وقد نجح هذا الجهاز في خلق ظروف شديدة البرودة في بيئة انعدام الجاذبية في محطة الفضاء الدولية، مما أدى إلى تكوين مكثفات بوز-أينشتاين . ومن المتوقع أن تصل درجات الحرارة في هذا المختبر الفضائي إلى 1 بيكو كلفن ، مما قد يُسهم في استكشاف ظواهر ميكانيكية كمومية غير معروفة واختبار بعض القوانين الأساسية للفيزياء . [ 48 ] [ 49 ]
  • تم تسجيل الرقم القياسي العالمي الحالي لدرجات الحرارة الفعالة في عام 2021 عند 38 بيكو كلفن من خلال عدسة الموجة المادية لمكثفات بوز-أينشتاين من الروبيديوم . [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 "كتيب النظام الدولي للوحدات: النظام الدولي للوحدات (SI) - الطبعة التاسعة (محدثة في 2022) . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس. ص  133. تم الاطلاع عليه في 7 سبتمبر 2022. [...], لا يزال من الممارسات الشائعة التعبير عن درجة الحرارة الديناميكية الحرارية، رمزها T، بدلالة فرقها عن درجة الحرارة المرجعية T₀ = 273.15 كلفن، القريبة من نقطة تجمد الماء. يُطلق على هذا الفرق درجة الحرارة المئوية.
  2. ↑ أرورا، سي بي (2001). الديناميكا الحرارية . دار تاتا ماكجرو هيل. الجدول 2.4، صفحة 43. رقم ISBN 978-0-07-462014-4.
  3. ↑ زيلينسكي، سارة (1 يناير 2008). "الصفر المطلق" . مؤسسة سميثسونيان. مؤرشف من الأصل في 1 أبريل 2013. تم الاطلاع عليه في 26 يناير 2012 .
  4. ↑ "درجات حرارة منخفضة قياسية" . www.aalto.fi
  5. ↑ "أدنى درجة حرارة اصطناعية" . موسوعة غينيس للأرقام القياسية .
  6. 1 2 ديبنر، كريستيان؛ هير، فالديمار. كورنيليوس، ميرل؛ سترومبيرجر، بيتر. ستيرنكي، تامو؛ جريزشيك، كريستوف؛ غروت، الكسندر. رودولف، يناير. هيرمان، سفين. كروتزيك، ماركوس؛ وينزلاوسكي ، أندريه (30 أغسطس 2021). "الوضع الجماعي المعزز لبصريات موجة المادة" . رسائل المراجعة البدنية . 127 (10) 100401. بيب كود : 2021PhRvL.127j0401D . دوى : 10.1103/PhysRevLett.127.100401 . ISSN 0031-9007 . بميد 34533345 . S2CID 237396804 .   
  7. ↑ "قوانين الغازات" . نصوص الكيمياء الحرة . 25 يونيو 2016. تم الاطلاع عليه في 16 سبتمبر 2025 .
  8. ↑ كيم، هيونغ-تشان (30 يوليو 2024). "الحد الأعلى لدرجة حرارة الغاز المثالي" . هيليون . 10 (14) e34249. arXiv : 2311.06994 . Bibcode : 2024Heliy..1034249K . doi : 10.1016/j.heliyon.2024.e34249 . ISSN 2405-8440 . PMID 39113977 .  
  9. ↑ "الصفر المطلق | التعريف والحقائق | بريتانيكا" . www.britannica.com . 29 أغسطس 2025. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 سبتمبر 2025 .
  10. ↑ بلونديل، ستيفن جيه؛ بلونديل، كاثرين إم. (2010). مفاهيم في الفيزياء الحرارية . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ص 193-198 . ISBN  978-0-19-956209-1.
  11. ↑ أتكينز، بيتر ويليام؛ باولا، خوليو دي؛ كيلر، جيمس (2018). الكيمياء الفيزيائية لأتكينز ( الطبعة الحادية عشرة). أكسفورد، المملكة المتحدة ؛ نيويورك، نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. الصفحات 93-96 . ISBN    978-0-19-876986-6.
  12. ↑ شيل، إم. سكوت (16 أبريل 2015). الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية . كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ص 312-315 . ISBN  978-1-107-01453-4.
  13. 1 2 تاونسند، جون (19 يوليو 2012). مدخل حديث إلى ميكانيكا الكم . ميل فالي، كاليفورنيا: منشورات جامعة العلوم. ص 257-259 . ISBN  978-1-891389-78-8.
  14. ↑ ستانفورد، جون فريدريك (1892). قاموس ستانفورد للكلمات والعبارات الإنجليزية .
  15. ↑ بويل، روبرت (1665). تجارب وملاحظات جديدة تتعلق بالبرد .
  16. ^ أمونتون (18 أبريل 1703). " Le thermomètre rèduit à une mesure ثابت ومؤكد ، & le moyen d'y Rapporter les الملاحظات faites avec les anciens Thermométres" [ تم تخفيض مقياس الحرارة إلى قياس ثابت ومعين، ووسائل ربط الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام موازين الحرارة القديمة ] . تاريخ الأكاديمية الملكية للعلوم، مع مذكرات الرياضيات والفيزياء من أجل نفس السنة (بالفرنسية): 50-56 .وصف أمونتونس العلاقة بين مقياس الحرارة الجديد (الذي يعتمد على تمدد وانكماش الكحول ) ومقياس الحرارة القديم (الذي يعتمد على الهواء). من الصفحة 52: "[...] ومن هنا يبدو أن البرودة القصوى لهذا المقياس [الهواء] هي تلك التي تجعل الهواء غير قادر على تحمل أي ضغط بواسطة زنبركه، [...]". بعبارة أخرى، أدنى درجة حرارة يمكن قياسها بواسطة مقياس حرارة يعتمد على تمدد وانكماش الهواء هي درجة الحرارة التي ينخفض ​​عندها ضغط الهواء ("الزنبرك") إلى الصفر.
  17. 1 2 تشيشولم، هيو ، محرر. (1911). "البرد" . الموسوعة البريطانية ( الطبعة الحادية عشرة). مطبعة جامعة كامبريدج.  
  18. ↑ تالبوت، جي آر؛ بيسي، إيه سي (1972). "مقدمات الديناميكا الحرارية في أعمال غيوم أمونتونس". سنتوروس . 16 (1): 20-40 . Bibcode : 1972Cent...16...20T . doi : 10.1111/j.1600-0498.1972.tb00163.x .
  19. ↑ مارتين، جورج (1740). "المقال السادس: درجات الحرارة المختلفة في الأجسام" . مقالات طبية وفلسفية . لندن، إنجلترا، المملكة المتحدة: أ. ميلار. ص 291. 
  20. ^ لامبرت، يوهان هاينريش (1779). البيرومترية . برلين، ألمانيا. او سي ال سي 165756016 . 
  21. ↑ ج. دالتون (1802)، "المقال الثاني. حول قوة البخار أو البخار من الماء والسوائل الأخرى المختلفة، سواء في الفراغ أو في الهواء" والمقال الرابع. "حول تمدد السوائل المرنة بالحرارة" ، مذكرات الجمعية الأدبية والفلسفية في مانشستر ، المجلد 8، الجزء 2، الصفحات 550-574، 595-602.
  22. ^ Gay-Lussac، JL (1802)، “Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs”، Annales de Chimie ، المجلد. الثالث والأربعون، ص. 137  . ترجمة إنجليزية (مقتطف).
  23. ↑ طومسون، ويليام (1848). "حول مقياس حراري مطلق قائم على نظرية كارنو للقوة الدافعة للحرارة، ومحسوب من ملاحظات رينو" . وقائع الجمعية الفلسفية في كامبريدج . 1 : 66-71 .
  24. ↑ نيوكومب، سيمون (1906)، مُلخَّص في علم الفلك الكروي ، نيويورك: شركة ماكميلان، ص 175، OCLC 64423127  .
  25. ↑ كينوشيتا، م.؛ أويشي، ج. (يوليو 1937). "معاملات التمدد والضغط للنيتروجين والهيدروجين والهيليوم والنيون، ودرجة الحرارة المطلقة 0 درجة مئوية". مجلة لندن وإدنبرة ودبلن الفلسفية ومجلة العلوم . 24 (159): 52-62 . doi : 10.1080/14786443708561889 .
  26. ↑ "تحدي اكتشاف الصفر المطلق أو -273.15 درجة مئوية" . قصص طوكيو التقنية . معهد طوكيو للتكنولوجيا. مايو 2014. تاريخ الاطلاع: 19 أبريل 2026 .
  27. ↑ "الصفر المطلق - فيلم وثائقي من إنتاج PBS NOVA (كامل)" . يوتيوب . مؤرشف من الأصل في 6 أبريل 2017. تم الاطلاع عليه في 23 نوفمبر 2016 .
  28. ↑ علم التبريد . Scienceclarified.com. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 يوليو 2012.
  29. ^ "جائزة نوبل في الفيزياء 1913: هايك كامرلينج أونز" . نوبل ميديا ​​​​AB . تم الاسترجاع 24 أبريل 2012 .
  30. 1 2 تشيس، سكوت. "أقل من الصفر المطلق - ماذا تعني درجة الحرارة السالبة؟" . الأسئلة الشائعة حول الفيزياء والنسبية . مؤرشف من الأصل في 15 أغسطس 2011. تم الاطلاع عليه في 2 يوليو 2010 .
  31. 1 2 كيتل، سي .؛ كرومر، إتش. (1980). الفيزياء الحرارية ( الطبعة الثانية). دبليو إتش فريمان . الصفحات 460-463 . ISBN   978-0-7167-1088-2.
  32. ↑ كروسزلنيكي، كارل س. (25 سبتمبر 2003). "أبرد مكان في الكون 1" . هيئة الإذاعة الأسترالية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2012 .
  33. ↑ "ما هي درجة حرارة الفضاء؟" . ذا ستريت دوب. 3 أغسطس 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2012 .
  34. ↑ جون، أنسلين ج. (25 أغسطس 2021). "مكونات الكون الأساسية" . دراسات لاهوتية . 77 (3). doi : 10.4102/hts.v77i3.6831 . S2CID 238730757 . 
  35. ↑ «كشف تاريخ تغيرات درجة الحرارة في الكون - أول قياس باستخدام تأثير سونيايف-زيلدوفيتش» . معهد كافلي لفيزياء ورياضيات الكون. ١٠ نوفمبر ٢٠٢٠.
  36. ↑ زو، هـ.؛ داي ، و.؛ دي وايل، أتام (2022). "تطوير أجهزة التبريد بالتخفيف - مراجعة". علم التبريد . 121. doi : 10.1016/j.cryogenics.2021.103390 . ISSN 0011-2275 . S2CID 244005391 .  
  37. ↑ كاتشبول، هيذر (4 سبتمبر 2008). "كوزموس أونلاين - الاقتراب من الصفر المطلق" . مؤرشف من الأصل في 22 نوفمبر 2008.
  38. ^ كنوتيلا، تاونو (2000). المغناطيسية النووية والموصلية الفائقة في الروديوم . إسبو، فنلندا: جامعة هلسنكي للتكنولوجيا. رقم ISBN 978-951-22-5208-4أُرشف من الأصل في 28 أبريل 2001. تم الاطلاع عليه في 11 فبراير 2008 .
  39. ↑ "رقم قياسي عالمي في درجات الحرارة المنخفضة" (بيان صحفي). مختبر درجات الحرارة المنخفضة، تيكنيلينين كوركياكولو. 8 ديسمبر 2000. مؤرشف من الأصل في 18 فبراير 2008. تم الاطلاع عليه في 11 فبراير 2008 .
  40. ↑ ساهي، راغفيندرا؛ نيمان، لارس-أكي (1997). "سديم البوميرانج: أبرد منطقة في الكون؟" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 487 (2): L155– L159. Bibcode : 1997ApJ...487L.155S . doi : 10.1086/310897 . hdl : 2014/22450 . S2CID 121465475 . 
  41. ↑ "سيدنا الغامضة | مديرية المهمات العلمية" . science.nasa.gov . مؤرشف من الأصل في 16 مايو 2017. تم الاطلاع عليه في 25 نوفمبر 2022 .
  42. ↑ "الآفاق العلمية لبرنامج وكالة الفضاء الأوروبية المستقبلي في علوم الحياة والعلوم الفيزيائية في الفضاء" (ملف PDF) . esf.org . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 6 أكتوبر 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 مارس 2014 .
  43. ↑ "أجهزة الاستشعار الكمومية الذرية في الفضاء" (ملف PDF) . جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 9 أكتوبر 2022.
  44. ↑ "ذرات تصل إلى درجة حرارة قياسية، أبرد من الصفر المطلق" . livescience.com . 3 يناير 2013.
  45. ↑ "CUORE: أبرد قلب في الكون المعروف" . بيان صحفي صادر عن المعهد الوطني للفيزياء النووية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أكتوبر 2014 .
  46. ↑ "فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يبتكر جزيئات فائقة البرودة" . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ماساتشوستس، كامبريدج . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 أغسطس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 يونيو 2015 .
  47. ↑ "أروع العلوم على الإطلاق في طريقها إلى محطة الفضاء الدولية" . مجلة ساينس | الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم . 5 سبتمبر 2017. تاريخ الاطلاع: 24 سبتمبر 2017 .
  48. ↑ "مهمة مختبر الذرات الباردة" . مختبر الدفع النفاث . ناسا. 2017. مؤرشف من الأصل في 29 مارس 2013. تم الاطلاع عليه في 22 ديسمبر 2016 .
  49. ↑ "مختبر الذرات الباردة يُحدث رقصة ذرية" . أخبار ناسا . 26 سبتمبر 2014. مؤرشف من الأصل في 8 يوليو 2021. تم الاطلاع عليه في 21 مايو 2015 .

للمزيد من القراءة