Evrende yüz milyonlarca derece yüksek sıcaklık vardır, ancak düşük sıcaklık yalnızca -273 ° C'ye sonsuz derecede yakın olabilir! Neden?
Sıcaklığı anlamanın doğru yolu ısı veya ısıdır. Sıradan suyu örnek alalım: Bir fincan sıcak çayın ısısı, su moleküllerinin mikroskobik hareketinden gelir. Suyu soğutmak, sudaki ısıyı emmektir. Her su molekülünün hareketi yavaşlayacak ve yavaşlayacaktır. Sonunda su donarak buza dönüşür. Bu 0 ° C'de olur.
Ancak buzdaki su molekülleri hala hafifçe hareket eder: buz kristallerinde, su molekülleri ilgili denge konumlarının yakınında titreşir. Buzun sıcaklığını düşürebiliriz ve sıcaklık düştükçe titreşim zayıflayacak ve zayıflayacaktır. Son olarak, -273.15 santigrat derecede, tüm titreşimler durur (neredeyse durur), su molekülleri, kuantum mekaniğinin belirsizlik ilkesinin gerektirdiği ölçüde ilgili denge konumlarıyla sınırlandırılır. Sıcaklığı -273,15 santigrat dereceden (-459,67 Fahrenheit dereceye eşdeğer) daha düşük yapamayız, çünkü bundan daha fazla ısı çıkaramayız. Bu en soğuk ve en soğuk sıcaklığa mutlak sıfır denir.
Su moleküllerinin, mutlak sıfırda bile titreşimi tamamen durduramamasını sağlayan şeyin, kuantum mekaniğinin belirsizliği olduğunu vurgulayın. Belirsiz ilişki p × xh / 4 yazın. Buz kristallerinde, her bir su molekülünün konumunu oldukça doğru bilirsiniz. Bu, x'in çok küçük olduğu anlamına gelir: bitişik su molekülleri arasındaki mesafeden daha küçük. x küçükse, bu p'nin çok küçük olamayacağı anlamına gelir. Bu nedenle, kuantum mekaniğine göre, her su molekülü, mutlak sıfırda olsalar bile, yine de hafifçe sallanır ve hareket eder. Bu harekete karşılık gelen, "kuantum sıfır nokta enerjisi" adı verilen bir enerjidir. Konumu ve momentumu biraz belirsizdir. İnsanlar bu fenomeni genellikle kuantum dalgalanmaları olarak tanımlarlar. Temel hal enerjisi kuantum sıfır noktası enerjisi olarak adlandırılabilir.
Özetlemek gerekirse, buz kristallerinde iki tür titreşim vardır: termal titreşimler ve kuantum dalgalanmaları. Buzu mutlak sıfıra soğutarak termal şoktan kurtulabiliriz. Ancak kuantum dalgalanmalarından asla kurtulamazsınız. Mutlak sıfır kavramı o kadar kullanışlıdır ki fizikçiler sıcaklığı bu kıyaslama noktasından ölçmeye daha alışmışlardır. Sıcaklığı ölçmek için bu standart, Kelvin sıcaklık ölçeği olarak adlandırılır. Bir Kelvin, mutlak sıfırın bir derece üzerindedir veya -272,15 santigrat derecedir. 273.15 Kelvin 0 santigrat derecedir ve bu sıcaklıkta buzun erimeye başlar.
Kelvin sıcaklık ölçeği kullanılırsa, termal titreşimin karakteristik enerjisi basit bir denklemle verilir: E = kT, burada k Boltzmann sabitidir. Örneğin buzun erime noktasında bu formül, tek bir su molekülünün termal titreşiminin karakteristik enerjisinin elektron voltunun 1 / 40'ı olduğunu hesaplar. Bu, 2.3 elektron volt olan fotoelastik etkide sodyum atomunun elektronlarını tekmelemek için gereken enerjinin neredeyse 1 / 100'üdür.
Kelvin sıcaklık ölçeğini daha iyi anlamak için bazı ilginç sıcaklıklardan bahsedeyim. Hava, yaklaşık olarak -321 derece Fahrenheit'e (veya -196 santigrat derece) eşdeğer olan yaklaşık 77 Kelvin'de sıvı hale gelecektir. Oda sıcaklığı yaklaşık 295 Kelvin'dir (veya 22 derece Celsius, 72 derece Fahrenheit). Sıcaklığın diğer ucunda güneşin sıcaklığı 6000 Kelvin'den biraz daha düşükken, güneşin merkezinin sıcaklığı yaklaşık 16 milyon Kelvin'dir.
Maddeye ve bilince dikkat etmeye hoş geldiniz!
