onder het nulpunt

Wie heeft het op school niet geleerd? In alle studieboeken staat het: de temperatuur kan nooit verder zakken dan 273,15 graden onder nul, ofwel 0 Kelvin. Maar al in 2005 dacht men dat het moest kunnen, onder het absolute nulpunt duiken. Uiteindelijk is het Duitse wetenschappers nu gelukt om dat te bewijzen. Het kan!

Hoe hoger de temperatuur, hoe beweeglijker atomen zijn. Bij een lagere temperatuur wordt de beweeglijkheid dus steeds minder. Tot het moment waarbij alle atomen stilstaan. Op dit punt ging men er eigenlijk vanuit dat de temperatuur niet verder kon dalen. Het laagste punt was bereikt: 273 graden onder nul.

Zoals gezegd hebben deeltjes, bij 273 graden onder nul, een minimale energie, zij bewegen niet meer. Zij liggen dan als groepje aan de voet van de helling (zie de afbeelding hieronder). Bij stijging van de temperatuur neemt de energie toe. Deeltjes bezitten niet allemaal evenveel energie. Zij bevinden zich dus op diverse hoogten op de helling. Hoe warmer het wordt des te meer de deeltjes zich verspreiden over de helling.

De vergelijking van de heuvel: de hoogte van de heuvel hangt samen met de hoeveelheid energie die deeltjes hebben, hoe hoger ze zich op de heuvel bevinden, hoe meer energie ze hebben. Absoluut nulpunt: atomen hebben geen energie en bewegen niet (links). Als de temperatuur stijgt, verandert dat, maar niet alle atomen reageren daar gelijk op. Sommige krijgen heel veel energie, anderen ietsje minder. Vandaar dat de deeltjes zich verschillend over de heuvel verspreiden (middelste plaatje).

Op een gegeven moment kan de temperatuur niet verder stijgen en liggen de deeltjes optimaal verspreid over de helling. Dat is het einde van wat de onderzoekers een ‘positive temperature scale‘ noemen. Er is sprake van positieve temperaturen als zich op de heuvel een aantal deeltjes en onderaan de heuvel een groter aantal deeltjes bevindt. Om de theoretische negatieve temperatuur te bereiken, moest dat hele model worden omgedraaid: meer deeltjes met veel energie op de heuvel dan in de vallei. En dat is nu gelukt. Een team van wetenschappers heeft een experiment uitgevoerd waarbij alle deeltjes in één keer bovenop de helling werden gezet. “De uitkomst was werkelijk verbluffend,” aldus één der onderzoekers. “Door de hele groep deeltjes in één keer bovenaan de helling te plaatsen was een negatieve temperatuur een feit, en konden wij een temperatuur bereiken tot min één nanokelvin. Dit is een miljardste deel van een graad.” De onderzoekers kregen alle deeltjes bovenaan de heuvel door atomen af te laten koelen tot iets boven het absolute nulpunt en ze vervolgens met lasers de denkbeeldige heuvel op te duwen, oftewel meer energie te geven.