Absoluter Nullpunkt

Abbildung 1: Ein Thermometer, das sich vom Stadtzentrum von Victoria bis nach St. Johns erstreckt. Victoria hätte Raumtemperatur, das Wasser würde an der Grenze zwischen AB und BC gefrieren und der absolute Nullpunkt läge am Hafen in der Innenstadt von St. Johns. Bose-Einstein-Kondensate sind ein paar Nanokelvin (ein paar Sandkörner) vom Ende entfernt).

Die Temperatur ist ein Maß dafür, wie viel Wärmeenergie ein System hat. Diese Messung bedeutet, dass alle Atome und Moleküle, die sich bewegen, eine bestimmte Menge an kinetischer Energie (und weniger offensichtlich an potentieller Energie) haben. Wenn sich alle Moleküle (oder Atome) in einem System nicht mehr bewegen, ist es so kalt, wie es nur sein kann. Diese Temperatur, bei der es keine thermische Energie mehr gibt, wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet.

Numerisch wird dies als 0 K, -273,15°C oder -459,67°F geschrieben.

Die Idee des absoluten Nullpunkts spielt eine Rolle für das Verständnis, wie viel Energie von Gasmolekülen im idealen Gasgesetz zur Verfügung steht, da die Temperatur auf einer absoluten Skala (wie Kelvin) gemessen werden muss, damit das ideale Gasgesetz Sinn macht. Außerdem spielt die Idee des absoluten Nullpunkts eine Rolle in der Physik der Schwarzkörperstrahlung (wie viel Energie strahlt ein Objekt bei einer bestimmten Temperatur ab) und dem maximal möglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Wirkungsgrad genannt).

Das Konzept des absoluten Nullpunkts ist auch Teil der Physik des Klimawandels. Die durchschnittliche Temperatur der Erde, die etwa 15°C beträgt, wäre 288 K. Wenn Treibhausgase die Temperatur des Planeten um 1% erhöhen, würde sie nicht um 0,15 Grad steigen, sondern um 2,88 Grad. Kelvin und Celsius haben beide die gleiche Gradzahl, aber Kelvin ist eine absolute Skala (d. h. ihr Nullpunkt ist wirklich Null) und Celsius ist eine relative Skala (ihr Nullpunkt ist willkürlich – er wurde von einem Wissenschaftler gewählt). Aus diesem Grund würde die Temperatur um 2,88 Grad statt um 0,15 Grad steigen. Zu verstehen, wie diese kleinen prozentualen Veränderungen der Erdtemperatur zu drastischen Folgen für den Planeten führen können, ist ein wichtiger Teil der Klimawissenschaft.

Die Thermodynamik hat gezeigt, dass es unmöglich ist, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, aber Physiker sind dem sehr nahe gekommen. Mit Hilfe von Laserkühlung und magnetischen Fallen ist es gelungen, Atome auf Temperaturen von wenigen nK (10-9 K) zu bringen, um Bose-Einstein-Kondensate zu bilden. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie kalt das ist, stellen Sie sich ein Thermometer vor, das von Victoria, BC bis St. Johns, Neufundland (7500 km) reicht (siehe Abbildung 1).

• 293 K (20°C) Raumtemperatur – Innenstadt von Victoria
• 273 K (0°C) Wasser gefriert – die Grenze zwischen BC und Alberta
• 0 K – der Hafen in der Innenstadt von St. Johns, Neufundland
• 1 nK – 0,026 mm vom Hafen entfernt, weniger als ein Sandkorn vom Ende des Thermometers!

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