Sólyom Jenő

Az alacsony hőmérsékletek titkai

II. A szélsőségesen magas hőmérsékletektől a szélsőségesen alacsonyakig

Néhányszor 10 ezer fok fölé melegített anyagban a termikus energia, mely a Boltzmann-állandó és a hőmérséklet szorzata, összemérhetővé válik a kémiai kötések jellegzetes energiájával, az atomonkénti 1-10 eV energiával. Ilyen magas hőmérsékleten az anyag atomjaira disszociál, sőt az atommaghoz kötött elektronok is leszakadhatnak.

Animáció: Hőmérsékleti és energiaskála (swf)

Még magasabb hőmérsékleten, nagyságrendileg 10⁷ fok fölött már az atommagok sem maradnak stabilisak, szétesnek protonokra és neutronokra. További három nagyságrenddel magasabb hőmérsékleten pedig már a fény elemi kvantumai, a fotonok is akkora energiával rendelkeznek, hogy elektron-pozitron párokká alakulhatnak át. Ez éppen az ellenkezője annak a folyamatnak, amin a PET működése alapszik, hiszen ott egy pozitron és egy elektron találkozásakor azok úgy semmisülnek meg, hogy közben két foton keletkezik. (Lásd Mihály György előadását.)

4. ábra

Ezeket a folyamatokat elméletileg jól le tudjuk írni, ám kísérletileg ilyen magas hőmérsékletet nem tudunk előállítani. Részecskegyorsítókban viszont ennél nagyobb energiára is fel lehet gyorsítani töltött részecskéket, s ennek révén lehet az ilyen nagy energiáknál lejátszódó folyamatokat tanulmányozni. Egyedi részecskék esetén nem lehet hőmérsékletről beszélni. A hőmérsékletnek csak véges sűrűségű anyagmennyiség esetén van értelme, ahol a statisztikus fizikai leírás alkalmazható. Egyetlen részecske esetén is van azonban értelme arról beszélni, hogy milyen hőmérsékleten lenne átlagosan egy részecskének akkora energiája, mint amekkorára felgyorsítottuk. Ennek alapján a hőmérsékleti skála mellé odatehetünk egy energiaskálát is.

Ma a legnagyobb gyorsítókban 200 GeV, vagyis 200x10⁹ eV energiát lehet elérni, de a tervek szerint hamarosan 7 TeV, vagyis 7x10¹² eV is elérhető lesz. Ezzel olyan ütközések lesznek vizsgálhatók, amelyek egy 10¹⁶ fokos rendszerben játszódnának le. (Hogy valamihez kötni tudjuk, ez egymilliárdszor nagyobb a Nap felszíni hőmérsékleténél.)

Mesterségesen elő tudunk tehát állítani ilyen magas hőmérsékletű anyagot. Ez azért izgalmas, mert a természetnek, ha rendkívül rövid időre is, de volt egy olyan állapota, melyben ilyen magas hőmérsékletek megvalósultak. A nagy gyorsítókban végzett kísérletek éppen azt teszik lehetővé, hogy az akkor lejátszódó folyamatokat jobban megérthessük.

Jelenlegi ismereteink szerint az univerzum a mintegy 12 -15 milliárd évvel ezelőtt történt ősrobbanással (Nagy Bumm) keletkezett. A rendkívül forró, nagy energiasűrűségű univerzum gyorsan tágult és hűlt, s eközben éppen a fordított sorrendben játszódtak le az előbb vázolt folyamatok. Az ősrobbanás utáni egymilliomod másodpercben 10¹³ fok, egyszázad másodperc múlva már csak mintegy 10¹¹ fok volt a hőmérséklet, ekkor még két nagyenergiájú foton ütközéséből szabadon keletkeztek az elektron-pozitron párok, de a nehezebb tömegű részecske-antirészecske párok már nem. 1 másodperc múlva 10¹⁰ fokra, további két másodperc múlva már 10⁹ fokra csökkent a hőmérséklet. A fotonoknak már nem volt elég energiája elektron-pozitron párok keltésére, viszont beindulhatott az atommagok szintézise. A protonokból és neutronokból keletkezett héliumatomok stabilisan fennmaradhattak. Ezután viszont több százezer évnek kellett eltelnie, mire az univerzum annyira lehűlt, hogy az atommagok az elektrosztatikus erők révén az elektronokat magukhoz tudták kötni, és semleges atomok keletkezhettek. A további évmilliárdok alatt oda jutottunk, hogy a világűrt ma egy mintegy 3 K-es hőmérsékletnek megfelelő kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás tölti meg. Ilyen alacsony lenne a kozmosz hőmérséklete, ha termikus egyensúlyban lenne. Szerencsére nem ez a helyzet.

A csillagokba tömörült anyag sokkal magasabb hőmérsékletű, de a Földnek az emberi életet lehetővé tevő klímája is a termikus egyensúly hiánya miatt lehetséges.

Alacsony hőmérséklet alatt a nulla ponthoz közeli, néhány kelvin hőmérsékletű tartományt értjük, extrém alacsony hőmérsékletnek pedig a millikelvin vagy annál alacsonyabb hőmérsékleteket. Hiszen ma már ilyen rendkívül alacsony hőmérsékleteket is elő lehet állítani. Ennek egyik módja például az, hogy réz mintát nagy mágneses térbe tesznek, majd a teret kikapcsolják. Mivel az atommagot alkotó protonoknak és neutronoknak is van spinje, amit kis mágnestűnek is elképzelhetünk, így a magnak is lehet spinje, kis mágnesként viselkedhet. A rendezetlenül álló spineket a mágneses tér egy irányba rendezi. A mágneses tér kikapcsolása után a spinek újra rendezetlenné válnak, s eközben hőt vonnak el a környezettől, s ezzel azt lehűtik. Lézerekkel az egyes atomokat lehet mintegy megcélozni, s lendületet átadva azokat lelassítani. Ezzel a lézeres hűtéssel a kelvin fok tízmilliomod- vagy százmilliomod részénél (10-100 nK) is közelebb juthatunk az abszolút nulla fokhoz.