Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Boom winterlandschap winter sneeuw

Natuurkundigen weten het al langer. In de natuur bestaat er een absoluut dieptepunt in temperatuur: 0 Kelvin oftewel -273,15 graden Celcius. En toch heeft zo’n ijskoude situatie zich nooit voorgedaan en zal niets of niemand zo’n temperatuur ooit kunnen verwezenlijken. Hoe vreemd dat misschien mag klinken. Ook de kwantummechanica is nog maar eens tot dezelfde fascinerende conclusie gekomen.

Dat er een absoluut nulpunt in de natuur bestaat, is voor wetenschappers al eeuwen een gegeven. Het enige dat veranderd is, is dat de waarden nog preciezer zijn geworden. En hoewel we dat dus weten, voegde de Duitse wetenschapper Walther Nernst daar in 1905 nog iets aan toe. Namelijk dat je wel situaties kunt creëren waarin je dat absolute nulpunt misschien benadert, maar dat je het nooit helemaal zult bereiken.

Daarmee formuleerde Nernst de beroemde derde wet van de thermodynamica, de tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de relatie tussen begrippen zoals warmte, beweging en energie. En sindsdien is het voor wetenschappers inderdaad onmogelijk gebleken om toestanden van 0 Kelvin of lager te bereiken. Het record ligt nu op 100 picoKelvin, ofwel 0,0000000001 Kelvin.

Maar er is veel veranderd sinds 1905. Met de intrede van de kwantummechanica ontdekten we dat de wetten van de fysica voor atomen en subatomaire deeltjes (deeltjes kleiner dan een atoom) niet altijd hetzelfde zijn als onze kennis over de klassieke natuurkunde. En daarom bestond er misschien toch nog een kansje dat de absolute temperatuur bereikbaar zou zijn.

Een deur waar je niet bijkunt

Twee wetenschappers van de University College London stampen nu ook deze hoop keurig de grond in. In Nature Communications tonen ze op een wiskundige manier aan dat je een oneindig aantal stappen zou moeten zetten om het nulpunt te bereiken. Zelfs als je iets op de snelste manier mogelijk zou afkoelen, zou je er nog niet komen.

Stephanie Wehner, kwantumnatuurkundige aan de TU Delft, werkte in het verleden al met een van de onderzoekers (Jonathan Oppenheim) samen, en is bijzonder enthousiast over dit onderzoek. “Bij kwantummechanica zijn je opties minder beperkt dan in onze vertrouwde, klassieke wereld. Deze paper beschrijft heel nauwkeurig dat je zelfs met die vrijheid in de kwantumwereld nog altijd niet onder dat nulpunt kunt komen. Je weet bij wijze van spreken dat er een deur in de kamer is, maar ook dat je er tegelijkertijd niet bij kunt.”

Zelfs supersterkste diepvriezers ongeschikt

Bij een absoluut nulpunt zou de wereld volgens Wehner letterlijk stilgevroren zijn. “Niets, zelfs tot aan het kleinste deeltje toe, zou meer bewegen,” zegt Wehner. Maar de reden dat dit onmogelijk is, ligt in het feit dat je warmte (een vorm van energie) steeds efficiënter uit een systeem zou moeten nemen, en dit volgens de tweede wet van de thermodynamica ook onmogelijk is. Die tweede wet zegt namelijk dat energie in een (afgesloten) systeem telkens minder efficiënt ingezet kan worden. Als je dus met een supersterke diepvriezer het absolute nulpunt wilt bereiken, zou deze steeds harder moeten gaan draaien om al de warmte weg te krijgen.

En toevallig is het juist Stephanie Wehner die samen met haar collega’s een aantal jaar geleden wiskundig kon aantonen dat deze tweede wet van de thermodynamica ook perfect met de kwantummechanica te combineren is. “In het verleden keken wetenschappers vooral naar hoe kwantummechanica op zich werkt,” zegt Wehner. “Het is pas sinds een jaar of zes dat we de wetten van de thermodynamica kunnen afleiden van de kwantummechanica voor zelfs de kleinst mogelijke deeltjes. Wiskunde is heel handig om de grenzen van de natuurwetten te begrijpen. In een experiment kan je altijd alleen laten zien wat mogelijk is, nooit wat onmogelijk is. Daarom is het soms uiterst handig om te weten wat er niet kan. Dan kan je ophouden het te proberen."