Physiker tricksen den absoluten Nullpunkt aus

[RTW112]

Der absolute Nullpunkt heißt so, weil eigentlich nichts kälter werden kann als er. Jetzt aber haben Physiker im Labor ein atomares Gas geschaffen, das negative Kelvin-Werte annehmen kann - und damit scheinbar noch unterhalb des Nullpunkts liegt. Klingt paradox? Ist es auch - jedenfalls wenn man die eigentlich unmöglichen Eigenschaften anschaut, die dieses Gas dann aufweist. Über ihr Expierment berichteten die Forscher im Fachmagazin "Science".

Quelle

Ist dies überhaupt möglich? oder ist dies der Beweis das unsere bisherigen Physikalischen Wissenschaftsgrundlage dazu falsch ist?

[GUSSduff]

Ich dachte, dass sich ein Atom bei einer Temperatur von 0 Kelvin nicht mehr bewegt (und je größer die Temperatur wird, umso mehr bewegt es sich). So gesehen ist es also nicht möglich eine negative Kelvintemperatur zu besitzen. Aber vielleicht ist die Definition von Kelvin und dem Absoluten Nullpunkt eine andere.

[Thomas W. Riker]

Irgendwie liest sich das für mich so, als würde aus einer unendlichen Änderung einer Quantität eine neue Qualität folgen.
Ebenso verstehe ich den Vergleich mit der dunklen Energie nicht.
Als Drittes riecht es nach einem Perpetuum Mobile, wenn von einer mehr als 100%igen Energieeffizienz geschrieben wird

[irony]

Es gibt keine negativen absoluten Temperaturen, wenn man Temperatur als mittlere kinetische Energie von Molekülen versteht. Weniger als keine kinetische Energie geht nicht.

Wenn man Temperatur aber definiert als 1/T = dS/dE, dann gibt die inverse Temperatur an, wie sich die Entropie S eines Systems abhängig von der Energie E ändert. Thermodynamic beta:

Though completely equivalent in conceptual content to temperature, β is generally considered a more fundamental quantity than temperature owing to the phenomenon of negative temperature, in which β is continuous as it crosses zero where T has a singularity.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bleibt die Entropie in einem geschlossenen System gleich, oder sie nimmt zu. Negative Temperaturen lassen sich dann so erklären, dass das System bei der Maximierung der Entropie nicht ein energetisches Minimum, sondern ein energetisches Maximum anstrebt. Das heißt, das System findet im höchstmöglichen Energieniveau ein energetisches Gleichgewicht, in dem es stabil ist.

Typische Beispiele für Systeme mit negativen Temperaturen sind Spin-Systeme. Edward Mills Purcell

1951 schlug er mit Robert Pound ein Experiment zur Erzeugung negativer Temperaturen (über eine Besetzungsinversion) vor.[1] Dieser Vorschlag beeinflusste die Ideen von Charles Townes zur Entwicklung des Masers.[2]

Das wesentliche Stichwort ist "Besetzungsinversion":

Besetzungsinversion liegt vor, wenn mehr Teilchen sich in einem energetisch höheren Zustand E2 befinden als in dem energetisch niedrigeren Zustand E1. Dies ist im thermischen Gleichgewicht nach der Boltzmann-Verteilung nicht möglich, wenn eine einheitliche Temperatur T vorausgesetzt wird.

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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
irony schrieb nach 25 Minuten und 30 Sekunden:

In der verlinkten Quelle scinexx | Physiker tricksen den absoluten Nullpunkt aus: Atome mit negativer Kelvin-Temperatur erzeugt heißt es:

„Die umgekehrte Boltzmann-Verteilung ist genau das, was eine negative absolute Temperatur ausmacht, und die haben wir erreicht“

Was das bedeutet, wird in dem Artikel erklärt.

Die Atome können sich in dem Gitter zwar durch den Tunneleffekt von Gitterplatz zu Gitterplatz bewegen, ihre Bewegungsenergie ist dabei jedoch nach oben beschränkt und hat damit die benötigte Grenze.

D.h. die Teilchen sammeln sich in diesem oberen Zustand, der dann stabil ist. Das Gas zeigt einen negativen Druck, es zieht sich also zusammen, aber es gibt keine Kondensation, denn dafür sind die Teilchen immer noch zu schnell. Sie können aber wegen der energetischen Barriere nach oben nicht schneller werden, aber auch nicht langsamer, wenn sie die Energie nicht abgeben können. D.h. der entscheidende Trick in solchen Experimenten ist es, die Energie der Teilchen irgendwie nach oben und unten zu beschränken.

Das umgebende Ultrahochvakuum sorgt dabei dafür, dass die Atome thermisch vollkommen von der Umwelt isoliert sind. Die Laserstrahlen bilden dabei ein sogenanntes optisches Gitter, in dem sich die Atome regelmäßig auf Gitterplätzen anordnen.

Wie diese optischen Fallen im Detail funktionieren, wird hier erklärt: Optical tweezers - Wikipedia, the free encyclopedia

[Uriel Ventris]

Ich kenn mich hierzu nicht aus, aber beruht der Nullpunkt auf Berechnung oder auf dem kältesten jemals erzeugten Material?

[irony]

Ich kenn mich hierzu nicht aus, aber beruht der Nullpunkt auf Berechnung oder auf dem kältesten jemals erzeugten Material?

Auf Berechnung.

Nach meinem Schulbuch ist der Nullpunkt ist derjenige Punkt, den man aus dem idealen Gasgesetz bzw. Gay-Lussac Thermische Zustandsgleichung idealer Gase bekommt, wenn man die Gerade einfach verlängert, bis sie die T-Achse schneidet.

V(T) = V(0° C) + Konstante * T (lineare Funktion, im V-T-Diagramm eine Gerade)

Bei kleiner werdender Temperatur wird das Gasvolumen geringer. Bei einem idealen Gas gibt es keine Kondensation, und das Gasvolumen wird Null für eine Temperatur von T = -273° C. So kommt man relativ leicht auf den absoluten Nullpunkt.

[xanrof]

Mal ein Denkansatz:

irony, du schreibst richtig, dass die Temperatur definiert ist als die mittlere kinetische Energie von Teilchen.
Wenn es aber eine Verteilung und einen Mittelwert gibt, dann gibt es logischerweise auch Werte, die darueber und darunter liegen.

Wie ist das am Nullpunkt? Verschwindet da die Verteilung, d.h. die Abweichungen vom Mittelwert werden auch null?
Ansonsten muesste es ja (am absoluten Nullpunkt) schon per Definition auch negative Energien geben?

*denk*

[irony]

Wie ist das am Nullpunkt? Verschwindet da die Verteilung, d.h. die Abweichungen vom Mittelwert werden auch null?

In diesen Grenzbereichen, nahe T = 0 Kelvin, muss man natürlich immer vorsichtig sein. Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik kann man ein System gar nicht auf T = 0 K bringen.

Nimmt man trotzdem die Formeln von Maxwell-Boltzmann-Verteilung , dann sind die wahrscheinlichste Geschwindigkeit v = sqrt(2kT/m) und die Geschwindigkeitsstreuung sigma = sqrt(kT/m) für T = 0 K beide Null.

[Mondkalb]

Kommen da nicht auch Quanteneffekte ins Spiel? Wenn absolut unbewegliche Atome oder Moleküle hätte (die es eigentlich auch nicht geben kann), also den absoluten Nullpunkt der Temperatur, und wollte das messen, müsste das System ja schon durch die Messung so beeinflusst werden, dass es wieder über dem Nullpunkt läge.

[irony]

Quanteneffekte kommen mit Sicherheit ins Spiel. Es ist auch kein Problem der Quantenmechanik, dass ein System in seinem Grundzustand ist und dort noch eine definierte minimale Energie hat. Das Problem ist, dass es keine quantenmechanische Definition der Temperatur gibt, und auch in der Quantenfeldtheorie gibt es so etwas nicht. Letztlich wird da auch nur die statistische Definition 1/T = dS/dE genommen.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
irony schrieb nach 27 Minuten und 53 Sekunden:

Tieftemperaturphysik ist sehr interessant. Ich habe mal ein bisschen gesucht, und hier ein paar schöne Folien gefunden: http://mti.msd.anl.gov/workshops/WS0...s/baturina.pdf

Auf Folie 5 sieht man für T=0 einen schönen quantenmechanischen Effekt. Wenn das Magnetfeld B einen kritischen Wert Bc überschreitet, wird aus dem Supraleiter ein Isolator. Das geschieht allein aufgrund von Quantenphasenübergängen.

In der Physik bedeutet ein Quantenphasenübergang (oder englisch quantum phase transition, QPT) einen Phasenübergang zwischen verschiedenen Quantenphasen, das sind verschiedene „Aggregatzustände“ (analog zu „flüssig“, „fest“; magnetisch, unmagnetisch, usw.) am absoluten Temperaturnullpunkt, T = 0 K, wo keine thermischen Fluktuationen auftreten, sondern nur sog. Quantenfluktuationen.

[Agent Scullie]

Was das bedeutet, wird in dem Artikel erklärt.

D.h. die Teilchen sammeln sich in diesem oberen Zustand, der dann stabil ist. Das Gas zeigt einen negativen Druck, es zieht sich also zusammen, aber es gibt keine Kondensation, denn dafür sind die Teilchen immer noch zu schnell. Sie können aber wegen der energetischen Barriere nach oben nicht schneller werden, aber auch nicht langsamer, wenn sie die Energie nicht abgeben können. D.h. der entscheidende Trick in solchen Experimenten ist es, die Energie der Teilchen irgendwie nach oben und unten zu beschränken.

sehr richtig. Im Grunde kennt man negative Temperaturen schon viel länger, nämlich bei der Erzeugung von Laserstrahlen: dort sind im Lasermedium höhere Energieniveaus stärker besetzt als niedrigere. Allerdings ist da leicht zu erkennen, dass ein Zustand fernab des thermodynamischen Gleichgewichts vorliegt und somit gar keine Temperatur definiert ist. Das gleiche könnte man hier auch sagen: der Versuchsaufbau hält das System in einem Nichtgleichgewichtszustand, und die "negative Temperatur" ergibt sich daraus, dass man so tut, als liege ein Gleichgewichtszustand mit definierter Temperatur vor.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 6 Minuten und 1 Sekunde:

Kommen da nicht auch Quanteneffekte ins Spiel? Wenn absolut unbewegliche Atome oder Moleküle hätte (die es eigentlich auch nicht geben kann), also den absoluten Nullpunkt der Temperatur,

in der Quantentheorie definiert sich der absolute Temperaturnullpunkt nicht als Zustand völliger Bewegungslosigkeit der Atome, der ja durch die Unschärferelation ausgeschlossen wird, sondern als Zustand minimaler Bewegung. Die kinetische Energie eines Atoms ist dann nicht null, sondern hat ihren kleinstmöglichen Wert. Da dieser nicht noch kleiner werden kann, ist keine Abkühlung möglich, daher herrscht per definitionem die Temperatur null.

und wollte das messen, müsste das System ja schon durch die Messung so beeinflusst werden, dass es wieder über dem Nullpunkt läge.

will man die Bewegung eines einzelnen Atoms messen, so setzt das das Vorliegen eines Zustands fernab des thermodynamischen Gleichgewichts voraus, in dem ohnehin keine Temperatur definiert ist, weder eine positive noch eine negative noch eine die null ist. Das hat rein gar nichts mit der Quantentheorie zu tun, sondern ist ein rein thermodynamischer Effekt.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 9 Minuten und 6 Sekunden:

Quanteneffekte kommen mit Sicherheit ins Spiel. Es ist auch kein Problem der Quantenmechanik, dass ein System in seinem Grundzustand ist und dort noch eine definierte minimale Energie hat. Das Problem ist, dass es keine quantenmechanische Definition der Temperatur gibt, und auch in der Quantenfeldtheorie gibt es so etwas nicht.

selbstverständlich gibt es in der Quantentheorie den Begriff der Temperatur, das sagst du ja selbst:

Letztlich wird da auch nur die statistische Definition 1/T = dS/dE genommen.

was heißt hier "nur"? Das Konzept der Temperatur kommt aus der Thermodynamik und ist in jedem sonstigen Zweig der Physik nur dann gegeben, wenn man diesen mit der Thermodynamik verknüpft. Das gilt für die klassische Mechanik ebenso wie für die Quantentheorie. Losgelöst von der Thermodynamik gibt es keinen Temperaturbegriff - in der Quantentheorie nicht und in der klassischen Physik auch nicht.

Kombiniert man also die Quantentheorie mit der Thermodynamik zur sogenannten Quantenstatistik (eine irreführende Bezeichnung, da die Quantentheorie ja auch ohne Thermodynamik schon einen statistischen Charakter hat, aber nunmal eine gängige), dann gibt es in ihr auch eine Temperatur. Aber natürlich nur in hinreichender Nähe zum thermodynamischen Gleichgewicht.

[Spocky]

Bei kleiner werdender Temperatur wird das Gasvolumen geringer. Bei einem idealen Gas gibt es keine Kondensation, und das Gasvolumen wird Null für eine Temperatur von T = -273° C. So kommt man relativ leicht auf den absoluten Nullpunkt.

hm, da fällt mir sofort auf, dass es beim absoluten Nullpunkt kein Gas mehr gibt. Es gibt auch keine Flüssigkeiten mehr (beide Aggregatszustände erfordern ja per definitionem Bewegungen der Atome). Wenn ich es richtig verstanden habe, dann gibt es da ja noch nicht einmal mehr Feststoffe sondern nur noch Bose-Einstein-Kondensate, bei denen man die einzelnen Teilchen nicht mehr auflösen kann.

Würde das denn nicht zum einen bedeuten, dass eine Berechnung über das Gasvolumen nicht zulässig ist und zum anderen, dass man Bewegungen einfach nicht auflösen kann, weil es nur noch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten gibt und diese überall innerhalb der Masse gleich ist?

[irony]

Ich habe ja auch geschrieben, bei einem idealen Gas. Ein ideales Gas ist kein reales Gas. Helium ist in guter Näherung ein ideales Gas und zeigt in der Nähe des Nullpunktes eine ganze Reihe interessanter quantenmechanischer Eigenschaften. U.a. Helium ? Wikipedia

Helium bleibt bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig, erst nahe dem absoluten Nullpunkt wird es flüssig. Es ist die einzige Substanz, die bei Normaldruck selbst am absoluten Nullpunkt (0 K bzw. −273,15 °C) nicht fest wird.

Der Temperaturwert -273°C für den absoluten Nullpunkt wird aus dem Gesetz von Gay-Lussac, das für reale Gase nur angenähert gilt, also nur durch Extrapolation gewonnen. Das steht so auch in Absoluter Nullpunkt

Wie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt den absoluten Nullpunkt bestimmt, weiß ich nicht.

Zur Einheit Kelvin: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): Das Kelvin

Und Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): Umsetzung der Neudefinition der SI-Einheit Kelvin


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
irony schrieb nach 14 Minuten und 8 Sekunden:

hm, da fällt mir sofort auf, dass es beim absoluten Nullpunkt kein Gas mehr gibt. Es gibt auch keine Flüssigkeiten mehr (beide Aggregatszustände erfordern ja per definitionem Bewegungen der Atome). Wenn ich es richtig verstanden habe, dann gibt es da ja noch nicht einmal mehr Feststoffe sondern nur noch Bose-Einstein-Kondensate, bei denen man die einzelnen Teilchen nicht mehr auflösen kann.

Warum sollte es da keine Festkörper mehr geben? Wenn etwas vor der Abkühlung auf fast 0 Kelvin ein Festkörper war, ist es danach auch noch einer.

Bose-Einstein-Kondensate herzustellen, ist aufwändig. Das ist nicht der Normalzustand von Materie, wenn sie abkühlt wird. Normale Materie kondensiert einfach zu einem Festkörper. Ausnahme ist Helium, das flüssig bleibt.

[Agent Scullie]

hm, da fällt mir sofort auf, dass es beim absoluten Nullpunkt kein Gas mehr gibt. Es gibt auch keine Flüssigkeiten mehr (beide Aggregatszustände erfordern ja per definitionem Bewegungen der Atome).

nein, tun sie nicht. Zum flüssigen und festen Zustand gehört, dass es eine anziehende Wechselwirkung zwischen den Atomen gibt. Wenn es die nicht gibt, wie bei einem idealen Gas, bei dem man die Atome als wechselwirkungsfrei annimmt, gibt es auch keinen festen und flüssigen Zustand, sondern nur einen gasförmigen. Der besteht entsprechend auch noch bei 0 K.

Wobei natürlich zu erwähnen ist, dass ideale Gase eine Idealisierung sind, die in der Natur nicht vorkommt. Bei allen in der Realität vorkommenden Gasen gibt es eine Wechselwirkung zwischen den Atomen, so dass besonders bei tiefen Temperaturen das Verhalten mehr oder weniger stark von dem eines idealen Gases abweicht.

Um auf dein Argument mit den Bewegungen der Atome einzugehen: man muss hier unterscheiden zwischen thermischen Bewegungen, die durch die Temperatur bedingt sind, und nicht-thermischen Bewegungen, z.B. solche, bei denen die Atome durch äußere Einwirkungen gegeneinander verschoben werden. Feststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass letztgenannte nicht möglich sind: in einem Feststoff sind die Atome nicht verschiebbar, daher ist ein Feststoff nicht deformierbar, unabhängig davon, ob die Temperatur null ist. Bei Flüssigkeiten und Gasen sind dagegen Verschiebungen der Atome möglich, auch bei einem klassischen idealen Gas, bei dem bei 0 K keine thermischen Bewegungen der Atome vorhanden sind.

Wenn ich es richtig verstanden habe, dann gibt es da ja noch nicht einmal mehr Feststoffe sondern nur noch Bose-Einstein-Kondensate, bei denen man die einzelnen Teilchen nicht mehr auflösen kann.

da hast du aber zwei wesentliche Dinge nicht richtig verstanden:

1. sind ideale Gase, wie irony sie beschrieben hat, klassische ideale Gase, d.h. Gase, deren Atome klassischen Bewegungsgesetzen gehorchen. Bose-Einstein-Kondensate sind dagegen ein Quantenphänomen.
2. gibt es am absolute Temperaturnullpunkt selbstverständlich noch Feststoffe. Bose-Einstein-Kondensate gehen keineswegs aus Festkörpern hervor, wenn diese abgekühlt werden, sondern aus Gasen. Zu einem Bose-Einstein-Kondensat gehört nämlich, ähnlich wie zu klassischen idealen Gasen, dass die Atome als wechselwirkungsfrei angenommen werden können. BEKs kann es also nur geben, wenn es zum einen kalt genug ist, dass die Quanteneigenschaften zum Tragen kommen, die Temperatur aber zugleich immer noch weit genug über dem Punkt liegt, bei dem das Gas verflüssigt würde. Deswegen ist es ja auch so schwierig, BEKs herzustellen.

Würde das denn nicht zum einen bedeuten, dass eine Berechnung über das Gasvolumen nicht zulässig ist

es ist richtig, dass sich kein reales Gas nahe am absoluten Nullpunkt adäquat als klassisches ideales Gas beschreiben lässt, einmal wegen der anziehenden Wechselwirkungen, die zum Vorhandensein einer flüssigen und festen Phase führen, und zusätzlich wegen Quanteneffekten, die z.B. die BE-Kondensation zur Folge haben, aber das heißt nicht, dass es unzulässig wäre, für ein klassisches ideales Gas für 0 K das Gasvolumen zu berechnen. Das ist allein schon deswegen zulässig, damit man zeigen kann, dass kein real vorkommender Stoff bei 0 K als ideales Gas beschreibbar ist

[Spocky]

Für einen Laien ist ein Gas etwas, das keine feste Form und kein festes Volumen besitzt. Das liegt daran, dass alle Atome/Moleküle frei gegeneinander beweglich sind.

Wenn nun beim absoluten Nullpunkt keine Bewegung mehr möglich ist, dann verhält sich ein "ideales Gas" auch nicht mehr, laienhaft ausgedrückt, wie ein Gas und darauf hab ich angespielt.

@ Scullie: Da hab ich nichts falsch verstanden, mir hatte bisher nur noch niemand was von der Definition eines idealen Gases erzählt.^^

Und da, wie du selbst schreibst, ein ideales Gas kein reales Gas ist, ist es so gesehen auch nur Theorie. Es gibt viele Dinge, die zwar theoretisch möglich, praktisch jedoch nicht. Theoretisch können alle Moleküle deines Körpers gleichzeitig in dieselbe Richtung schwingen und du erreichst eine ausreichende Geschwindigkeit um das Sonnensystem zu verlassen (während du automatisch schockgefroren wirst), praktisch werden sie das jedoch nie vorkommen.

Da ein ideales Gas also praktisch wohl nicht möglich ist, sollte man es wissenschaftlich korrekt auch nicht für absolute Festlegungen benutzen, da es dafür keine realen Aussagen treffen kann. Aber vielleicht muss man dafür theoretischer Physiker sein, um da mitreden zu dürfen