ديد کلي
نقطه مرجع در مقياس دماي مطلق 273,15- سانتيگراد است. اين نقطه را صفر مطلق مي‌گويند، معناي آن تنها پس ار روشن شدن ارتباط منشا گاز با انرژي جنبشي اتمهاي آن با توجه به نظريه جنبشي گازها ، روشن شد. اين نظريه بيان مي‌کند که حرکت اتمها در صفر مطلق به کلي متوقف مي‌شود، ولي اين توضيح درست نيست. در واقع مکانيک کلاسيک قادر به توضيح اين پديده نيست، ولي مکانيک کوانتومي آن را به خوبي توضيح مي‌دهد.
فيزيک در صفر مطلق
نظريه جنبشي گازها بيان مي‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلي متوقف مي‌شود و دماي مطلق T تنها معياري از اندازه انرژي جنبشي اتمهاست و بس. اما اين توضيح هر چند ساده واضح است، درست نيست. اکثر دماها در فلزات حتي در دماي T = 0 نيز با سرعتهاي بالا حرکت مي‌کنند.
مکانيک کوانتومي براي خيلي از مفاهيم توضيحات طبيعي دارد از جمله دماي مطلق و صفر مطلق.
مکانيک کوانتمي
براي ادامه بحث بايد قدري اطلاعات کوانتومي داشته باشيم که متأسفانه آن را با چند کلمه نمي‌توان بيان کرد، ولي سعي کنيم واقعيات را بدون اثبات بيان و تعداد اطلاعات را به حداقل برسانيم. اگر بخواهيم از رفتار الکترون در ميدان مغناطيسي اطلاع داشته باشيم مکانيک کوانتومي توصيف زير را ارائه مي‌دهد:
الکترون را مي‌توان با فرفره چرخان مقايسه کرد (هر چند اين مقايسه خيلي درست نيست). بهتر است بگوييم که الکترون ، همانند فرفره چرخان ، داراي تکلانه زاويه‌اي ذاتي به نام اسپين است، بدون اينکه در جزئيات چرخش بحث کنيم اسپين الکترون به گشتاور مغناطيسي ذاتي آن مربوط است. الکترون در ميدان مغناطيسي مانند آهنربا رفتار مي‌کند.
اگر الکترون در ميدان مغناطيسي ثابت قرار گيرد بنا به قوانين مکانيک کوانتومي اسپين آن مي‌تواند يا در امتداد راستاي ميدان قرار گيرد و يا در جهت مخالف آن. راستاي گشتاور دو مغناطيسي الکترون در جهت مخالف اسپين است: از اينرو همانند اسپين مي‌تواند دو تصوير در جهت ميدان مغناطيسي داشته باشد. اگر ميدان هم راستا باشند، اين تصويرز برابر است با µ0- و اگر در راستاي هم باشند، برابر است با µ0+ که µ0>0 ، کميت µ مگنتون بور نام دارد. اگر شدت ميدان مغناطيسي H باشد، انرژي پتانسيل يک الکترون در اين ميدان برابر مي‌شود با µ0H يا µ0H- ، سرانجام مي‌توان گفت الکترون در ميدان مغناطيسي مي‌تواند دو حالت داشته باشد، انرژي اين حالتها برابر است با µ0H يا µ0H-.
اکنون دستگاهي متشکل از تعداد زيادي الکترون را که در نقاط مختلف فضا ثابت شده‌اند در نظر مي‌گيريم. به عنوان مثال مي‌توان تعداد زيادي اتم را که هر کدام چند الکترون دارند، در نظر گرفت. انرژي اين دستگاه در ميدان مغناطيسي را تعداد الکترون نهايي که اسپين آنها در راستاي ميدان و مخالف آن هستند، تعيين مي‌کنند.
مقايسه دستگاه الکترونها در ميدان مغناطيسي و گاز کامل
دستگاهي از الکترونها با گشتاور مغناطيسي را مي‌توان با گاز کامل مقايسه کرد و انرژي الکترون در ميدان مغناطيسي نقش سرعت (انرژي جنبشي) اتمها را بازي مي‌کند. اما به انرژي جنبشي مي‌توان هر مقدار مثبتي را نسبت داد، در حالي که انرژي در ميدان مغناطيسي ، فقط دو مقدار به خود مي‌گيرد. جالب است بدانيد که اين قيد قانون پايه آمار را تغيير نمي‌دهد و در ترازمندي گرمايي ، احتمال يافتن ذره‌اي در حالت انرژي ? با تابع نمايي (exp(-?/kt متناسب است.
در اينجا نيز همچون گاز ، لازم است ترازمندي گرمايي اتمها واقعا دست يافتني باشد، بنابراين (مانند برخورد اتمها در گاز کامل) گشتاورهاي مغناطيسي بايد با يکديگر برهمکنش داشته باشند. اگر اين شرط تأمين شود، قانون آمار بدون توجه به ساز و کار خاصي که دستگاه را به ترازمندي گرمايي مي‌کشاند، حکم فرما خواهد بود.
انرژي الکترون در ميدان مغناطيسي:
µ0H: اسپين در امتداد ميدان
µ0H-: اسپين در جهت مخالف ميدان
پس با توجه به آنچه گفته شد در ترازمندي گرمايي احتمال يافتن ذره در حالت اسپين در امتداد ميدان (exp(µ0H/kT است، يعني در ترازمندي گرمايي تعداد الکترونها با اسپين مخالف جهت ميدان از تعداد الکترونها با اسپين در جهت ميدان بيشتر است. همانطور که مشاهده مي‌کنيد، حالت ترازمندي پايايي دستگاه تنها با تک پارامتر T ، يعني دماي مطلق آن تعيين مي‌شود.
عقربه‌هاي مغناطيسي
اکنون فرض کنيد که به جاي الکترونهاي داراي گشتاور در مغناطيسي ، تعدادي عقربه مغناطيسي داريم که بطور کاتوره‌اي پراکنده‌اند. چون عقربه‌هاي مغناطيسي بايد سمت شمال قرار گيرند، آنها با دامنه يکسان در راستاي شمال - جنوب به نوسان در مي‌آيند. اگر محور عقربه‌ها اصطکاکي نداشت و نيز ميان عقربه‌ها جاذبه‌اي موجود نبود، اين نوسانها بطور نامحدود ادامه پيدا مي‌کردند. در واقع ، سرانجام عقربه‌ها از نوسان باز مي‌ايستند، زيرا بر اثر اصطکاک محور ، انرژي مصرف مي‌شود و همه عقربه‌ها به سمت شمال قرار مي‌گيرند.
به علاوه ، عقربه‌هاي آهنربا روي يکديگر نيز تأثير مي‌گذارند. حرکتشان به يکديگر جفت شده است، يعني مي‌توانند انرژي به عقربه‌هاي ديگر انتقال دهند. بدين طريق مي‌توان در رفتار عقربه‌ها مدلي از چگونگي رسيدن دستگاه اسپينها به ترازمندي بازيافت. محورها نقش مرداب گرما را بازي مي‌کنند که انرژي جنبشي عقربه‌ها به آنها منتقل مي‌شود. عقربه‌هاي ساکن به دستگاه اسپينها ، در دماي T=0 شباهت دارد. دما به صفر مي‌رسدف زيرا انرژي همواره از عقربه‌ها به محورها انتقال مي‌يابد، بعد از اينکه همه انرژي انتقال يافت ترازمندي برقرار مي‌شود.
با مطالعه در مي‌يابيم که عقربه‌هاي مغناطيسي کاملا نمي‌ايستند، بلکه به سبب بمباران دائم توسط مولکولهاي هوا و لرزش خفيف محورهايشان ، با دامنه‌هاي خيلي کوچک نوسان مي‌کنند. از اينرو انرژي نمي‌تواند تا صفر تنزل کند و در ميانگين برابر kT باقي مي‌ماند. اين حرکت را حرکت براوني گويند.
مدل عقربه‌هاي آهنربا و مفهوم صفر مطلق
در راستاي ممکن اسپين در هر دما، احتمالهاي متفاوت رخ مي‌دهند. در دماهاي خيلي پايين تقريبا همه الکترونها در تراز پايينتر جمع مي‌شوند. يعني اسپينهاي آنها در راستاي مخالف ميدان قرار مي‌گيرند. تراز بالاتر ، تقريبا تهي ، يعني خالي از جمعيت مي‌ماند. هر چه دما بالاتر باشد، تراز بالاتر "پرجمعيت" مي‌شود. به عنوان مثال در دماهاي خيلي بالا (? << KT) هر دو تصوير اسپين احتمال تقريبا برابر دارند. اگر دما پايين بيايد، بخش بزرگ و رو به افزايشي از اسپين الکترونها در راستاي مخالف قرار مي‌گيرند. اگر T = 0 باشد، اسپين همه الکترونها در راستاي مخالف ميدان قرار مي‌گيرند. اين حالت دستگاه با دماي صفر مطلق متناظر است.
مفهوم صفر مطلق در نظريه کوانتومي
همانطور که در مباحث فوق عنوان شد، مفهوم صفر مطلق در نظريه کوانتومي معناي روشن و قاطعي دارد، در ميان ترازهاي انرژي هر دستگاه کوانتومي ترازي وجود دارد که با پايينترين انرژي متناظر است و در مثال ما ، اين حالت حالتي است که اسپين همه الکترونها در راستاي مخالف ميدان قرار مي‌گيرند. در صفر مطلق ، دستگاه در حالت پايه است، از اينرو نمي‌تواند به دستگاه ديگري انرژي انتقال دهد، دقيقا بدين سبب که تراز پايينتري وجود ندارد که بعد از ، از دست دادن انرژي به آن انتقال يابد.
دست نيافتني بودن صفر مطلق
هر کسي مي‌داند که دماي جسم را نمي‌توان تا صفر مطلق پايين آورد، هر چند مي‌توان به آن نزديک شد. براي اينکه دماي جسمي را تا صفر مطلق پايين بياوريم لازم است مقداري متناهي گرما از آن بگيريم. براي اينکار از چرخه کارنو استفاده مي‌کنيم:
T1/T2 = ?1/?2
بديهي است که در اين نظر در چرخه کارنو مقدار گرما يا دما مطرح نيست، بلکه نسبت آنها مهم است. اکنون ديگر مشکل نيست که بفهميم چرا براي پايين آوردن دماي جسمي تا صفر مطلق بايد تعداد بي شماري مراحل را پشت سر گذاشت. هر مرحله مي‌تواند يک چرخه بسته يا يک فرآيند تک ، مثل انبساط بي دررو گاز در حال سرد شدن باشد. در هر مرحله مقداري متناهي کار انجام مي‌گيريد و دما به نسبت متناهي پايين مي‌آيد. از آنجا که هر مرحله مدت زماني طول مي‌کشد، زمان لازم براي پايين آوردن دماي جسم تا صفر مطلق لزوما نامتناهي است.
صفر مطلق و نظريه جنبشي گازها
مي‌توان پرسيد که آيا دست نيافتني بودن صفر مطلق در نظريه جنبشي گازها متفاوت است، آيا کسي مي‌تواند اسپين همه الکترونها را به حالت پايه پايين بياورد (به عنوان مثال ، آنقدر صبر کند که همه فزوني انرژيشان را تابش کنند. اما اين سوال چيزي را روشن نمي‌کند. اگر دستگاه در يک فضاي تهي نامتناهي بود و انرژيِ تابشي از آن براي هميشه دور مي‌شود، اسپينها به يقين همه انرژيشان را از دست مي‌دادند و دستگاه به حالتي متناظر با صفر مطلق مي‌رسيد. اما دستگاه در داخل حجمي باشد که ديواره‌هاي آن در دماي ثابت نگه داشته مي‌شود، آنگاه دستگاه داراي دماي ديواره‌ها مي‌شود، در اين صورت ممکن نيست بدون انجام دادن کار اين دما را پايين تر آورد.
منبع: http://atwis.com/خ