V přírodě existuje teplotní hranice, kterou dosud nedokázala překonat žádná laboratoř ani žádný kout vesmíru: -273,15 °C, známá jako absolutní nula nebo 0 K na Kelvinově stupnici. Ať už se technologie vyvíjí jakkoli, fyzikální zákony představují nepřekonatelnou bariéru, která z této hodnoty činí nedosažitelný cíl. Abychom pochopili proč, je třeba se nejprve podívat na to, jak mrazivý může vesmír být.
Mimo ochranu naší atmosféry se teplotní podmínky radikálně mění. Na Zemi vrstva plynů obklopující planetu zadržuje teplo a rozděluje ho, čímž udržuje průměrnou povrchovou teplotu kolem 15 °C, což je hodnota, kterou klimatická změna postupně zvyšuje. Ve vesmírném vakuu naproti tomu není dostatek hmoty, která by účinně pohlcovala nebo přenášela tepelnou energii.
V oblastech vesmíru vzdálených od jakékoli hvězdy a nacházejících se ve stínu tak může teplota klesnout až na přibližně -270 °C (-454 °F), což se již blíží absolutní nule. Přímé sluneční záření však zvyšuje teplotu objektů na stovky stupňů Celsia, což vede k obrovským teplotním kontrastům.
Dobrým příkladem je povrch Měsíce: vzhledem k absenci atmosféry se teplota pohybuje mezi přibližně -173 °C (-279 °F) během měsíční noci a 127 °C (260 °F) za plného denního světla. V mezihvězdném prostoru, například v oblasti mezi Zemí a Marsem, zůstávají teploty extrémně nízké, pokud není v blízkosti žádný zdroj tepla.
Omezení dané termodynamikou
Třetí zákon termodynamiky kategoricky stanoví, že žádný fyzikální proces není schopen ochladit systém na 0 K v konečném počtu kroků ani za konečnou dobu. Proč tomu tak je?
Pokaždé, když se objekt ochlazuje, odebírá se energie z jeho částic. Problém spočívá v tom, že čím méně energie zbývá k odebrání, tím více chladicí metody postupně ztrácejí účinnost. Odborníci obvykle používají jednoduchou analogii: je to jako postupně dělit vzdálenost na polovinu. Člověk se může k cíli výrazně přiblížit, ale každý nový krok vyžaduje větší úsilí a poslední úsek se nikdy zcela nedokončí.
K této praktické obtíži se přidávají zásadní důvody související s kvantovou mechanikou:
- Částice nelze žádným konvenčním postupem uvést do absolutního klidu, protože vždy přetrvává zbytková energie zvaná energie nulového bodu, což je přímý důsledek kvantových jevů.
- Chlazení jakéhokoli objektu vyžaduje přenos jeho energie do jiného systému, který je ještě chladnější. Blízko 0 K je nemožné najít zásobník schopný absorbovat tento poslední zbytek energie.
- Úplné odstranění entropie, tedy míry neuspořádanosti systému, by vyžadovalo ideální a nekonečně dlouhý proces.
Vědci dosáhli teplot extrémně blízko absolutní nule, jen o několik biliontin kelvinu nad 0 K, ale nikdy se jim nepodařilo dosáhnout přesně 0 K.
Co by se stalo, kdyby se teoreticky dosáhlo absolutní nuly?
Je třeba vyloučit ty nejsenzačnější představy: hmota by nevybuchla ani se nerozplynula. V čistě hypotetickém scénáři by se systém jednoduše ocitl ve svém kvantovém stavu s minimální energií, za předpokladu, že by takový stav byl fyzikálně možný. V praxi by to znamenalo následující:
- Tepelný pohyb by se snížil na minimum povolené kvantovou fyzikou.
- Atomy by se nacházely ve svých stavech s nejnižší možnou energií.
- Nezbývala by žádná tepelná energie, která by mohla být přenášena ve formě tepla.
- Některé látky by mohly vykazovat mimořádné kvantové jevy. Mezi nimi vyniká supravodivost, která umožňuje vést elektřinu bez jakéhokoli odporu, a supertekutost, stav, ve kterém tekutina teče bez jakéhokoli tření.
- U některých materiálů by mohly nastat kvantové fázové změny, které by ovlivnily jejich magnetické nebo elektrické vlastnosti.
Fyzici však upozorňují, že „minimální tepelný pohyb“ neznamená úplnou nehybnost. Kvantová mechanika zaručuje, že i v základním stavu částice vykazují fluktuace a zachovávají si tuto zbytkovou energii nulového bodu. Princip neurčitosti to jasně shrnuje: není možné s absolutní přesností znát současně polohu i pohyb částice, takže představa o dokonale nehybném atomu je prostě nepředstavitelná.