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Das Universum ist voller Extreme. Das Schnellste, das Älteste, das Fernste – es gibt unzählige Dinge zu entdecken und zu bestaunen, die Schöpfungen der Natur. Aber was ist mit den kältesten Orten? Sie haben wahrscheinlich schon vom absoluten Nullpunkt gehört, aber wissen Sie, was passiert, wenn man ihn erreicht? Oder warum nichts kälter werden kann?
Das Grundkonzept des absoluten Nullpunkts wurde bereits 1702 entdeckt. Der französische Erfinder Guillaume Amontons stellte die Theorie auf, dass es eine niedrigstmögliche Temperatur geben müsse, nachdem er den Zusammenhang zwischen Luftdruck und Temperatur erkannt hatte. Seine Experimente führten ihn zu dem Schluss, dass es einen Punkt geben müsse, unterhalb dessen der Druck und somit auch die Temperatur nicht weiter sinken könne.
Amontons schlug eine minimal mögliche Temperatur von -240 °C vor. Angesichts der Tatsache, dass er keine Kenntnisse über die Atombewegung besaß und sein Vorschlag aus dem frühen 18. Jahrhundert stammt, ist es bemerkenswert, wie nahe er der Wahrheit kam.
Erst 1848 definierte der Physiker William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin, die Temperaturskala mit ausreichender Präzision und schuf die nach ihm benannte Kelvin-Skala. Eine seiner Motivationen war die Schaffung einer absoluten Temperaturskala, die sinnvoll sein und negative Zahlen überflüssig machen sollte. Ausgehend von Null kann man sich nur nach oben bewegen.
Natürlich erscheint die Kelvin-Skala den meisten von uns im Alltag unpraktisch und umständlich. Die Celsius-Skala ist schließlich viel logischer, da sie auf den Siedepunkten und Gefrierpunkten von Wasser basiert, die für Laien verständlich sind.
Zum Glück experimentieren Wissenschaftler ständig mit extremen Temperaturen – einfach aus Spaß an der Sache –, daher wird viel zu diesem Thema geforscht. Schnapp dir ein warmes Getränk und lass uns herausfinden, was es damit auf sich hat.
Physik des absoluten Nullpunkts
Da die Menschheit eine recht ungewöhnliche Geschichte im Umgang mit Maßeinheiten wie Fuß, Cord, Acre usw. hat, dauerte es eine Weile, bis wir etwas Einheitliches und Logisches entwickelten. Die Celsius- und Fahrenheit-Skala waren zwar verbreitet, doch erst die Kelvin-Skala nimmt die Dinge ernst. Der absolute Nullpunkt entspricht 0 Kelvin, der niedrigstmöglichen Temperatur. Dies entspricht -273 °C oder -459,67 °F.
Kälte ist eine relative Eigenschaft eines jeden Stoffes und hängt mit der Bewegung seiner Atome zusammen. Deshalb hat sie eine Grenze, und deshalb kann die niedrigste mögliche Temperatur erreicht werden – der absolute Nullpunkt. Dies ist der Punkt, an dem sich die Atome eines Stoffes entweder vollständig nicht mehr bewegen oder sich diesem Punkt so weit wie möglich annähern und das thermodynamische System seine niedrigste mögliche Energie aufweist.
Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass sich Atome am absoluten Nullpunkt überhaupt nicht mehr bewegen, sondern nur, dass keine atomare Energie mehr übertragen werden kann. Nicht die geringste Wärmemenge, nicht einmal die unbedeutendste, kaum messbare, wird freigesetzt. Da Wärme durch die Bewegung von Atomen freigesetzt wird und diese Atome diese Energie an andere Atome weitergeben, mit denen sie in Kontakt kommen, findet am absoluten Nullpunkt kein Wärmeaustausch statt.
Für die meisten von uns ist der absolute Nullpunkt im Grunde bedeutungslos. Wir werden ihn im wirklichen Leben nie entdecken, und selbst wenn, hätten wir sicherlich nicht viel Zeit, ihn zu schätzen, denn er würde uns sehr schnell töten.
Unter Laborbedingungen, bei denen der absolute Nullpunkt praktisch erreicht wird, haben Wissenschaftler bemerkenswerte physikalische Veränderungen beobachtet. Beispielsweise fließen manche Substanzen bei extrem niedrigen Temperaturen nach oben statt nach unten und trotzen damit der Schwerkraft. Auch chemische Reaktionen unterliegen der Kälte.
Am absoluten Nullpunkt sollte theoretisch jede chemische Reaktion sofort zum Stillstand kommen. Je näher der absolute Nullpunkt rückt, desto deutlicher können Wissenschaftler Reaktionen verlangsamen, die normalerweise in Sekundenbruchteilen ablaufen. Dadurch ist es ihnen möglich, den Reaktionsprozess zu beobachten und sogar zu beeinflussen.
Die Forschung bei extrem niedrigen Temperaturen ermöglicht es uns, Phänomene wie die Quantenmechanik zu untersuchen, die bei normalen Temperaturen unzugänglich wären. Genau deshalb ist dieses Gebiet für Wissenschaftler so faszinierend: Es erlaubt ihnen, einige der fundamentalen Mechanismen zu erforschen und zu beobachten, die der Existenz von Teilchen und Reaktionen im Universum zugrunde liegen – und zwar auf eine für uns sichtbare Weise.
Der kälteste Ort im Universum
Jeder weiß, dass es im Weltraum unglaublich kalt ist, doch der absolute Nullpunkt ist lediglich warm. In den dunkelsten Regionen des Weltraums erreicht die Temperatur 2,7 Kelvin. Natürlich wäre dies für jedes Lebewesen tödlich, da es -270,45 °C oder -453,8 °F entspricht, aber es ist immer noch weit vom absoluten Nullpunkt entfernt.
Natürlich herrschen im Weltraum keine gleichmäßigen Temperaturen. Sterne wie unsere Sonne erwärmen die Atmosphäre auf ihrem Weg, daher muss man, um niedrige Temperaturen zu erreichen, einen Ort in der Wildnis finden.
5.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt der sogenannte Bumerangnebel. Er besteht aus Staub und ionisierenden Gasen und ist womöglich der kälteste natürliche Ort, den man finden kann. Im Zentrum des Nebels stirbt ein Roter Riese, der sein gesamtes Sternenmaterial in astronomisch hoher Geschwindigkeit abstößt – etwa 250-mal schneller als ein F-16-Kampfjet – und dabei rapide an Wärme verliert.
Die Temperatur im Nebel wurde mit etwa einem Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt gemessen. Zum Vergleich: Die kälteste jemals auf der Erde gemessene Temperatur betrug -89,2 °C (-128,6 °F) im Jahr 1983. Das entspricht eisigen 183,95 Kelvin. Diese Temperatur wurde an der Wostok-Station in der Antarktis gemessen. Das bedeutet, dass die Temperatur im Nebel etwa dreimal niedriger ist als jemals zuvor auf der Erde – was sich viel weniger furchteinflößend anhört, als es tatsächlich ist.
Ist es möglich, im Labor einen absoluten Nullpunkt zu erzeugen?
Eines der faszinierendsten Dinge am absoluten Nullpunkt ist, dass Wissenschaftler ihm unter Laborbedingungen recht nahe gekommen sind. Manche wissenschaftliche Konzepte müssen jedoch weiterhin rein theoretisch bleiben. Niemand hat bisher ein Schwarzes Loch erzeugt oder eine Zeitreise ermöglicht. Doch wenn es um den absoluten Nullpunkt geht, liegt unser bisher bester Wert bei 38 Pikokelvin, also 38 Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dies wurde erreicht, indem magnetisiertes Rubidiumgas in einem deutschen Labor einen Turm hinuntergelassen wurde; genau so werden heute extrem kalte Substanzen erzeugt.
38 Teile pro Billion klingen zwar unglaublich nah, aber wir werden diesem Wert wohl nie viel näher kommen. Es gilt als allgemein anerkannt, dass der absolute Nullpunkt aufgrund von Quantenfluktuationen niemals erreicht werden kann. Auch die Thermodynamik verhindert, dass wir die absolut niedrigste Temperatur erreichen können; darauf werden wir später noch eingehen.
Ein weiteres Hindernis für die Menschheit ist die Unvollkommenheit der Technologie. Ab einem Punkt, offenbar jenseits von 38 Billionstel Grad, können wir nicht mehr präzise genug messen, um mit Sicherheit sagen zu können, dass wir den absoluten Nullpunkt erreicht haben. Der absolute Nullpunkt und sein kleinster Bruchteil wären von den Messwerten unserer Instrumente nicht zu unterscheiden.
Das Problem mit Messgeräten ist so gravierend, dass man sogar vermutet, wir könnten den absoluten Nullpunkt aufgrund möglicher Ungenauigkeiten gar nicht bemerken, selbst wenn wir ihn erreichen könnten. Dazu bräuchten wir ein Thermometer, das Temperaturen mit unendlicher Präzision messen kann, und ein solches Gerät existiert natürlich nicht. Daher werden wir niemals die benötigten präzisen Messungen durchführen können.
Glücklicherweise streben viele Wissenschaftler in diesem Forschungsgebiet nicht den absoluten Nullpunkt an. Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt sind von größtem Interesse, da sie noch minimale atomare Bewegungen ermöglichen. Reaktionen lassen sich weiterhin beobachten, während am absoluten Nullpunkt praktisch nichts mehr zu beobachten wäre. Dies entspricht physikalisch der Ansammlung einer großen Menge Materie ohne jegliche Auswirkung.
Das Konzept des absoluten Nullpunkts ist zwar faszinierend, bleibt aber theoretischer Natur, und es wird weiterhin diskutiert, ob er technisch realisierbar ist. Die Wissenschaft teilt diese Ansicht jedoch nicht immer.
Warum ist das unmöglich?
Neil deGrasse Tyson lieferte mehrere Erklärungen dafür, warum der absolute Nullpunkt tatsächlich unmöglich zu erreichen ist. Sein erstes Argument basiert auf dem Prinzip der Wärmeübertragung, und er führte das Beispiel eines Kühlschranks an. Man legt Lebensmittel mit Zimmertemperatur in den Kühlschrank, und die kalte Luft im Inneren entzieht ihnen Wärme. Schließlich existiert Wärme, und Kälte ist lediglich deren Abwesenheit. Entzieht man einem Objekt diese Wärmeenergie, wird es kalt; man muss ihm nichts zuführen.
Die kältere Luft im Kühlschrank entzieht den wärmeren Lebensmitteln Wärme, bis die Gesamttemperatur des Kühlschranks, Gefrierschranks oder des jeweiligen Raums, in dem Wärme verloren geht, erreicht ist. Auf der Kelvin-Skala gibt es jedoch ein Problem mit dem absoluten Nullpunkt. Um einem Objekt die letzte Wärmemenge zu entziehen und den absoluten Nullpunkt zu erreichen, benötigt man etwas, das kälter als der absolute Nullpunkt ist (dies beginnt etwa bei 8:20 Minuten im Video). Man benötigt etwas Kälteres, um diese letzte, nahezu unmessbare Wärmemenge entfernen zu können. Aber wie könnte so etwas überhaupt existieren?
Tyson erläutert das zweite Problem weiter. Laut Quantenphysik ist es unmöglich, den genauen Ort der Atome in einem Teilchen zu bestimmen. Quantenfluktuationen müssen ständig existieren und ermöglichen es den Atomen, selbst geringfügig zu schwingen. Es muss eine Quantengrenze des absoluten Nullpunkts geben, die verhindert, dass die Atome vollständig zur Ruhe kommen. Denn wenn dies der Fall wäre, ließe sich der Ort jedes einzelnen Atoms präzise bestimmen, und das ist physikalisch unmöglich.
Im Jahr 1912 wurde die theoretische Hypothese aufgestellt, dass es unmöglich sei, den absoluten Nullpunkt in endlicher Zeit zu erreichen. Dies ist als das Prinzip der Unerreichbarkeit bekannt. Es geht auf Tysons erste These zurück, in der er nach einer Möglichkeit suchte, die thermische Spannung um das letzte Bruchteil eines Grades zu reduzieren, um den absoluten Nullpunkt zu erreichen.
Experimente haben gezeigt, dass das Abkühlen eines Stoffes auf den absoluten Nullpunkt entweder unendlich viel Arbeit oder ein unendlich großes Kühlreservoir erfordert. Nähert sich ein Stoff dem absoluten Nullpunkt, so strebt auch seine Entropie gegen null, und physikalisch gesehen ist es unmöglich, ein System in einer endlichen Anzahl von Schritten in einen Zustand der Entropie Null zu versetzen.
Ein Experiment ergab, dass der absolute Nullpunkt theoretisch erreichbar ist, jedoch drei Komponenten erfordert: Zeit, Komplexität und Energie. Das Problem, das dieses Experiment aufdeckte, ist, dass das Erreichen des absoluten Nullpunkts eine unendliche Menge einer dieser Komponenten voraussetzt. Solange dies möglich ist, kann das Ziel erreicht werden. Man könnte erkennen, dass dies eine andere Umschreibung dafür ist, dass es unmöglich ist.
Was würde theoretisch passieren?
Es ist bekannt, dass sich bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bildet. BECs gelten als alternativer Materiezustand, existieren aber nur bei solch extrem niedrigen Temperaturen. Sie entstehen, wenn ein Gas stark unterkühlt wird, wodurch Atome oder subatomare Teilchen zu einer quantenmechanischen Einheit verschmelzen. Das klingt nach Science-Fiction, bedeutet aber im Wesentlichen, dass sich die Atome wie eine einzige Wellenfunktion verhalten, als wären sie zu einem einzigen Superatom verschmolzen.
Einstein sagte dies mithilfe der Bose-Formeln Jahrzehnte vor dem praktischen Nachweis voraus, doch es folgt den Gesetzen der Quantenmechanik. Allerdings kann dies nur bei tiefen Temperaturen geschehen, da die einzelnen Atome so niedrige Energien aufweisen müssen, dass sie sich gemeinsam bewegen.
Könnten wir den Bose-Einstein-Kondensatzustand überwinden und den absoluten Nullpunkt erreichen, verlöre Materie ihre gesamte kinetische Energie. Gäbe es keine kinetische Energie mehr und wären die Atome eingefroren, könnte man das Beobachtete nicht mehr als Materie bezeichnen. Nach unserem derzeitigen Verständnis der Physik ist es nicht möglich, dass Materie einfach aufhört, Materie zu sein.
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