Kus asuvad kõige külmemad kohad universumis?
Kraadiklaas Tartus näitab 13 miinuskraadi, lumi sillerdab ja krudiseb jalge all. Teekond raudteejaamast Füüsika Instituuti linna veerel on piisavalt pikk, et soe kõndimisega sisse saada. Kuid tarvitseb vaid seisma jääda, kui külm taas sõrmi ja varbaid näpistama tikub, kirjutab Tarkade Klubi.
Mõni hetk hiljem, juba Füüsika Instituudis sees soojas olles, juhatab vanemteadur Harry Alles mind veel suurema külma juurde. Kuid see külm ei kipu põskede kallale – see külm on vedela heeliumi näol turvaliselt terashallidesse termosballoonidesse suletud. Temperatuur, mis neis valitseb – umbes 270 kraadi alla kraadiklaasinulli – jääb tavainimesele hoomamatuks. Rääkimata neist hämmastavatest nähtustest, mida sellised temperatuurid ainetes esile kutsuvad. Füüsikute jaoks aga just selles ülimadalate temperatuuride võlu ongi.
Külmafüüsikaga tegelevad laborid tekitavad igapäevaselt temperatuure, mis on vaid kraadi murdosa võrra kõrgemad absoluutsest nullist. Ja kui füüsikud hakkavad rääkima suhteliselt kõrgetest temperatuuridest, ei tähenda see sugugi kraade üle kraadiklaasinulli, vaid pelgalt paari pügalat üle absoluutse nulli, tuletades meelde anekdoodi laplastest, kes alles –40 ºC juures ülemise särginööbi kinni panevad ja absoluutse nulli puhul on sunnitud lõpuks tunnistama, et «kisub, jah, veidi krõbedaks».
Tõmmake käpikud kätte: alustame ekskursiooni absoluutse nulli lähedal!
Mis on absoluutne null?
Kuigi see kõlab triviaalselt, on külmus füüsikalises mõistes soojuse puudumine. «Temperatuuri võib vaadelda kui suurust, mis iseloomustab aatomite, molekulide ja teiste osakeste soojusliikumise intensiivsust,» selgitab Harry Alles, Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi vanemteadur, kes enne Tartusse naasmist töötas aastaid Helsingi Tehnikaülikooli (praeguse Aalto Ülikooli) Külmalaboris. «Mida kiirem on see liikumine, seda kõrgem on aine temperatuur.»
Kui temperatuur langeb, siis aatomite liikumine aeglustub, sest neil on liikumiseks üha vähem energiat. Kui soojusliikumine lakkaks täielikult, siis oleks tegemist absoluutse nulltemperatuuriga. Inglise füüsik lord Kelvin rehkendas välja, et teoreetiliselt juhtub see temperatuuril –273,15 ºC. See on ka Kelvini järgi nime saanud temperatuuriskaala nullpunkt ning arvestamine käib sellel skaalal kelvinites, temperatuuri ametlikus ühikus SI-süsteemi järgi. Nii on Celsiuse skaala nullpunkt Kelvini skaalal 273,15 K ning vesi hakkab keema umbes 373 kelvini juures.
Absoluutse nullini ei ole võimalik ühtegi süsteemi siiski jahutada: see tõdemus on kirjas termodünaamika kolmanda seadusena, mille sõnastas umbkaudu saja aasta eest Saksa keemik Walther Nernst.
Ent täielikku rahu pole loota isegi absoluutses nullis. «On kvantvõnkumised, mis ei vaja soojusenergiat,» põhjendab Alles, «need jäävad ka absoluutse nulli juures.»
Kus on kõige külmem koht universumis?
Kusagil mujal pole absoluutsele nullile jõutud nii lähedale kui üle lahe, Helsingi Külmalaboris. 1999. aastal mõõdeti seal haruldase metalli roodiumi aatomituumade temperatuuriks 0,0000000001 kelvinit ehk 100 pikokelvinit.
Rekorditaotlejaid on teisigi. 2003. aastal teatas Massachusettsi tehnoloogiainstituut, et Nobeli preemia laureaadi Wolfgang Ketterle juhitud töörühm jahutas atomaarse gaasi laserite abil 500 pikokelvinini. Kui Soomes olid rekordkülmad vaid aatomi tuumad, samas kui nende ümber tiirlevad elektronid olid Allese sõnul «palju kõrgemal» temperatuuril ehk mõnekümne mikrokelvini juures, siis Ameerika rühm jahutas nimetatud temperatuurini kogu aine.
Universumi ühe külmema kohana on end reklaaminud ka Euroopa tuumauuringute keskus CERN, mille superpõrguti LHC ülijuhtivad magnetid on jahutatud temperatuurini 1,9 kelvinit. Selle loodab peatselt üle lüüa Euroopa kosmoseagentuuri testikeskus (loe ka lisalugu «Kosmosekülma saab ka Maa peal»). Veelgi madalamad temperatuurid valitsevad pidevalt aga tundlikes osakeste- või kiirgusdetektorites, näiteks Euroopa kosmoseagentuuri kosmoseteleskoobis Planck (0,1 K), ja mitmetes tumeaine püüdmiseks toimivates maa-alustes eksperimentides (0,01 K).
Rekordite jahtimine pole teaduslikus uurimistöös kunagi eesmärk omaette, kinnitab Alles. «Eesmärk on ikka olnud uute nähtuste avastamine,» sõnab ta. «Ülimadalate temperatuuride saavutamine võetakse ette reeglina vaid siis, kui on lootust, et võidakse leida midagi huvitavat.»
Mis on Eesti külmarekord?
0,01 kraadi üle absoluutse nulli ehk 10 millikelvinit. Nii madalale suudab aine jahutada krüostaat, mis asub Tallinnas Akadeemia teel ühes Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi (KBFI) heledate seintega laboris. Ja et ta seda tõesti teeb, kontrollisid KBFI vanemteadurid Georg Liidja, Urmas Nagel ja Toomas Rõõm juba 1999. aastal. Kuigi ametlikke külmarekordeid Eestis keegi ei fikseeri, võib seda lugeda kõige madalamaks Eestis saavutatud temperatuuriks. Ülimadalatel temperatuuridel on katseid läbi viidud ka Tartus Füüsika Instituudis, ent need ei läinud madalamale kui 50 millikelvinit.
Õigupoolest on see tosina aasta tagune proov 10 millikelviniga jäänud seni ainsaks korraks, mil Eestimaa nii madalat temperatuuri tunda on saanud. Kuna tookordsed plaanid ei vormunud kindlaks uurimisprojektiks, on sestsaadik töös olnud seadme kõik teised osad peale krüostaadi. «On tarvis uurimisteemat, mille pärast on mõtet [ülimadalaid temperatuure] teha,» põhjendab Nagel. Nüüd ootabki Eesti Teadusfondi heakskiitu Rõõmu esitatud projekt magnetiliste materjalide teraherts-spektroskoopiast, mis krüostaadi taas sisse lülitada lubaks. Seniks teeb teise toapoole keskel oma tavapärast tööd bolomeeter ehk soojusvoo mõõtja, mille töötemperatuuriks on 0,3 kelvinit.
Kuidas mõõta?
«Temperatuuri mõõtmist võiks nimetada lausa omaette teaduseks, eriti kui tegemist on ülimadalate temperatuuridega,» räägib Harry Alles. Tõepoolest, tavalist kraadiklaasi pole võimalik uuritavasse ainesse torgata. «Temperatuuri täpne määramine võib olla eksperimendi tegemisest palju keerulisem, sest tuleb arvestada mitmete erinevate vastasmõjudega» selgitab Alles.
Kuidas siis seda teha? Tuleb kasutada mõnd füüsikaseadust, näiteks ideaalse gaasi olekuvõrrandit, mis lubab temperatuuri välja arvutada muude parameetrite kaudu. Üldjuhul kasutatakse aga kalibreeritud termomeetreid, mis mõõdavad mõnd temperatuuri mõjul muutuvat aine omadust, näiteks elektritakistust.
«Helsingis kasutati külmarekordi mõõtmiseks termodünaamika teist seadust,» meenutab Alles. «Süsteemile anti teatud soojushulk, mõõdeti ära selle mõjul tekkinud entroopia (ehk korrastamatuse) muutus ja nende kahe suuruse suhe andiski absoluutse temperatuuri näidu.»
Miks uurida aineid ülimadalatel temperatuuridel?
Kui temperatuur langeb ja aatomite soojusliikumine aeglustub, ei tähenda see sugugi, et juhtub vähem. Ei sugugi. Siis, kui absoluutne null on käeulatuses, ilmnevad kvantefektid ja hakkavad sündima imepärased asjad: ained juhivad voolu takistuseta, vedelik ronib üle anuma serva, palju aatomeid käituvad kui üks osake.
Harry Alles toob aatomite käitumise kohta kõrgel temperatuuril võrdluse: «Nagu inimesed turuplatsil – kõik sagivad kiiresti ja läbisegi.» Ja madalal temperatuuril: «Justkui mööda sammuv marsirood – kõik ühes mõõdetud aeglases rütmis.»
Ainete erilised olekud, nagu ülijuhtivus ja ülivoolavus, on ehk kõige tähtsam põhjus, miks madalad temperatuurid füüsikuid paeluvad. Ja need saavad tekkida tänu sellele, et soojuse äravõtmine loob majja korra. Piltlikult öeldes: kui möllav elevant on metsast kadunud, torkab silma ja hakkab mõju avaldama korrapärases rivis marssivate sipelgate askeldamine.
«Ülivoolavust ja ülijuhtivust võibki vaadelda vaid siis, kui soojushäirituse mõju on oluliselt vähendatud. Ja just äärmustesse minnes, näiteks aineid üha madalamale ja madalamale temperatuurile jahutades, võivad ilmneda uued nähtused,» arutleb Alles. «Omamoodi võib mõelda, et jõuad tuumani, kus on kõige olulisemad asjad.»
«Hästi madalatel temperatuuridel hakkame nägema teisi, sekundaarseid nähtusi. Nad on kogu aeg olemas, aga tavaliselt nii nõrga mõjuga, et kõrgematel temperatuuridel neid ei märka,» lisab Raivo Stern, KBFI direktor, kes teadlasena uurib magnetiliste ainete omadusi. «Kui tavaolukorras domineeriv nähtus on välja külmutatud, tulevad esile uued.»
Ülimadalad temperatuurid on muu hulgas võimaldanud avastada kaks uut aine olekut tahke, vedela, gaasilise ja plasma kõrvale. Need on Bose-Einsteini kondensaat ja fermionide kondensaat, kus kõik osakesed on ühes kvantolekus ja seega käituvad justnagu üksainus osake. Muu hulgas tekitades ülivoolavust.
«Kondensaat on tegelikult üks keel, milles võib kirjeldada väga erinevaid füüsikanähtusi,» selgitab Stern. «See tähistab seda, et mingil hetkel kogu süsteem n-ö kondenseerub põhiolekusse. Tavaelus me ütleme, et vesi kondenseerub klaasil – siin on analoogia selles mõttes olemas, et veeaur on ruumis laiali, aga kondenseerudes on see ühes kohas koos.»
Kui aine põhiolek on saavutatud, avanevad uued võimalused nendega manipuleerida, otsides uusi omadusi või püüdes paremini mõista aine olemust. «Madalad temperatuurid võimaldavad aru saada, miks ja kuidas uued olekud tekivad,» ütleb Urmas Nagel. «Lootus on, et lihtsamate süsteemide põhjal on seejärel võimalik aru saada, mis toimub nende uute olekutega keerukamates süsteemides.»
«Väga madalatel temperatuuridel saab näiteks uusi tehnoloogiaid katsetada ja siis loota, et saadud teadmiste alusel välja töötatud seadmed hakkavad tulevikus tööle ka kõrgematel temperatuuridel,» jätkab Alles. «Hea näide on kvantarvuti loomisega seotud uurimistöö.»
Stern toob uue, alles hoogu koguva uurimisvaldkonna näitena välja külmad aatomid. «Termilise maailma poolt peale pandud mängureeglid on täiesti erinevad neist, mis on põhioleku lähedal,» räägib ta. «Eesmärk on välistada kogu soojushäiritus, liigutada aatomid kokku ja vaadata puhtalt distantsist ja asendist sõltuvaid vastasmõjusid. See on veel varjus olevate looduse toimimispõhimõtete uurimine.»
«Uuemas kirjanduses eristatakse kvantfaasisiirdeid, mida saab tekitada aine põhiolekus ja mis ei toimu temperatuuri, vaid mingit muud parameetrit, näiteks rõhku või magnetvälja muutes,» lisab Stern.
Nüüd, mil külmafüüsikas on uute olekute ja omaduste avastamise buum läbi saamas, ongi füüsikud keskendumas nende täpsemale uurimisele. Neil päevil joonistavad teadlased ohtralt kõveraid, mis kirjeldavad uuritava aine käitumist ühe või teise parameetri muutmise korral, ja üritavad teoreetiliselt mõtestada, mis siis ikkagi toimub.
Näiteks Nageli ja Rõõmu teraherts-spektroskoobi all kohtame muu hulgas ainet valemiga LiCu2O2, millel tekib madalal temperatuuril ühtaegu nii sisemine magnet- kui ka elektriväli; samuti fullereene ehk süsinikukerasid, mille sisse on molekulaarse kirurgia abil opereeritud vesinikumolekul; Stern näitab jooniseid Hani purpuri nime all tuntud iidse värvaine magnetilistest omadustest; Alles uuris Külmalabori päevil heeliumikristalle.
Grafeenil, millega Alles praegu Tartus tegeleb, madalad temperatuurid seni erilisi uusi olekuid esile toonud ei ole, kuid mõõtmisi tehakse ikkagi tihti võimalikult jahedas – nii on soojushäirituse mõju väiksem ja on võimalik täpsemalt välja selgitada grafeeni imepäraseid omadusi.
Kuidas külma teha?
Väga lihtsalt, tuleb ainult energiat vähemaks võtta. Ja kõige kiirem tee seda teha oleks sukeldada aine vedelasse heeliumisse – ning hoobilt on saavutatud temperatuur ligikaudu 4 kelvinit. Aine jahtub selle arvel, et osa vedelast heeliumist aurustub. Kuid mida samm lähemale absoluutsele nullile, seda keerukamaks jahutamine muutub.
Ülimadalate temperatuuride tegemiseks ja hoidmiseks kasutatakse enamasti aparaate nimetusega krüostaadid (kreekakeelsetest sõnadest «külma hoidjad»). Üks neist, lahustumiskrüostaat, kasutab heeliumi kahe stabiilse isotoobi, 3He ja 4He, segunemist. «Madalal temperatuuril jaguneb 3He ja 4He segu kahte faasi, üks koosneb peamiselt heelium-3st ja teises on seda üsna vähe. Heelium-3 aatomite lisamine heelium-4 rikkasse faasi neelab energiat, umbes nagu soola lahustamine vees,» räägib Urmas Nagel.
«Kui 4He keeb normaalrõhul temperatuuril 4,2 kelvinit, siis rõhu vähendamisega saab temperatuuri kahe kelvini peale ja 3He juurde pumpamisega 0,3 kelvini peale,» märgib ta.
Helsingis oli külmarekordi püstitamisel abiks ka demagneetimine – magnetilise korrastatuse kadumine neelab ümbritsevast keskkonnast energiat. Ameerikas, MIT-laboris, aeglustati atomaarse gaasi osakesi laserikiirega, neilt sedasi energiat röövides.
Kuidas meie kasu saame?
Meil oleks kodumajapidamises väga vingeid vidinaid, kui kõik see, mis toimub ülimadalatel temperatuuridel, töötaks ka toatemperatuuril. Kuid ei tööta. «Tahame kvantomadustel põhinevat maailma kasutada, aga tahame seda teha oma maailmas, toatemperatuuril,» sõnastab Stern paradoksi.
Kõige ihaldusväärsemad on loomulikult toatemperatuuril toimivad ülijuhid. Otsingud on pingelised – rohkem kui paarikümne aasta pikkune ränk töö on kergitanud rekordtemperatuuri 134 kelvinini, ent toatemperatuurini jääb sealt veel tubli 160 kraadi. Rääkimata sellest, et senini puudub üldtunnustatud teooria, mis seletaks lahti kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse nähtuse.
«Madalate temperatuuride tegemine on tülikas ja nende hoidmine kallis,» tõdeb Stern. Paljud avastatud omadused on ka sedavõrd veidrad, et nende rakendusvõimalusi ei osata veel ettegi kujutada. Ja nii on madalad temperatuurid jäänud enamasti alusuuringute pärusmaaks. Mõne erandiga.
Kus tavainimene kõige tõenäolisemalt ülimadalaid temperatuure kohata võib, on tänapäevane haiglakabinet. Vedelat lämmastikku kasutatakse raviprotseduurides ning vedel heelium hoiab töös magnetresonantstomograafe.
Mõned maglev-rongid, mis hõljuvad magnetvälja mõjul rööpa kohal, kasutavad samuti ülijuhtivaid magneteid.
Kas absoluutsest nullist madalam temperatuur on võimalik?
Ei, kuid võimalik on tekitada negatiivseid absoluutseid temperatuure. Tegu ei ole tavapärases mõttes külmade ainetega, vaid negatiivne temperatuur iseloomustab pigem osakeste jaotust energianivoode vahel. Kui tavalises aines suurendab energia lisamine entroopiat (näiteks jääkristall sulab veeks, kus korrapära on väiksem), siis on süsteeme, mille puhul toimub vastupidine: energia lisamine kahandab entroopiat. Reeglina on need süsteemid, millel on piiratud arv energianivoosid, näiteks ainult kaks. Negatiivne absoluutne temperatuur tähendab, et kõrgemal energianivool on rohkem osakesi kui madalamal. Füüsikud ütlevad selle kohta, et asustatus on inverteeritud. Mida suurem on ülemise energianivoo asustatus võrreldes põhiolekuga, seda negatiivsem on temperatuur. Seega on negatiivsed absoluutsed temperatuurid tegelikult hoopis «kuumemad» kui tavalised temperatuurid – negatiivse temperatuuri muutumisel positiivseks vabaneb energiat.
Katsetamine
Kosmosekülma saab ka Maa peal
Belgia linna Liege'i kosmosetehnoloogiakeskuses on maailmaruumis valitsevad tingimused toodud Maa peale. Laboris on suured vaakumkambrid, praktiliselt tolmuvaba keskkond ja võimalus saavutada absoluutse nulli lähedast temperatuuri. Liege'i kosmosekeskus on Euroopa kosmoseagentuuri (ESA) üks testikeskustest.
«Me simuleerime kosmoses valitsevaid tingimusi Maa peal. Siin saame jäljendada nii kosmilisi madalaid temperatuure kui ka seadmete kosmosesse saatmisel esinevat vibratsiooni,» rääkis Cristophe Gradeux Liege'i kosmosekeskusest.
Liege'is testitakse satelliitidele paigaldatavaid seadmeid, näiteks telekommunikatsiooniseadmeid ja optilisi instrumente. Optilised seadmed jagunevad omakorda kaheks: teleskoobid, millega uuritakse kosmost, ja seadmed, millega jälgitakse Maad, näiteks uuritakse ilmastikunähtusi, selgitas Gradeux.
Vaakumkambris ja madalatel temperatuuridel on võimalik uurida nii suuri kui ka väikesi seadmeid. Suurima vaakumkambri läbimõõt on 6,8 meetrit ja arvestades rõhku, mis sellele mõjub, on tegu tõepoolest aukartustäratava seadmega. Aga aukartustäratav on ka võimalus saavutada madalaid temperatuure, näiteks kolm või neli kelvinit.
Kosmosekeskuse teadlased kavatsevad saavutada temperatuuri, mis on vaid 0,4 kraadi absoluutsest nullist kõrgemal. Nemadki väidavad, et see teeks Liege'i teaduspargi kogu universumi kõige külmemaks kohaks.
