Was ist der absolute Nullpunkt?

Gestern wurde mir folgende Frage zugesandt:

Können Sie mir bitte sagen, was der absolute Nullpunkt bedeutet? Wie kann es sein, dass die Temperatur diesen Wert nicht unterschreiten kann? Und wenn es als untere Temperaturgrenze den absoluten Nullpunkt gibt, gibt es dann eine Obergrenze?

Ja, tatsächlich ist der absolute Nullpunkt die niedrigste mögliche Temperatur, die ein physischer Körper haben kann. In den uns bekannten Grad Celsius beträgt diese Temperatur -273,15 Grad.

Was ist Temperatur? Es ist ein quantitatives Maß dafür, wie heiß ein physischer Körper ist. Wovon hängt die Temperatur ab? Warum haben manche Körper eine höhere Temperatur und andere eine niedrigere Temperatur? Was unterscheidet sie voneinander?

Der Hauptunterschied besteht in der Geschwindigkeit der Brownschen Bewegung der Teilchen, aus denen ein Körper besteht – Atome und Moleküle. Je schneller sich die Moleküle und Atome bewegen, desto höher ist die Körpertemperatur, je langsamer, desto niedriger. Genauer gesagt haben erhitzte Körper eine höhere durchschnittliche kinetische Energie der Partikel, aus denen der Körper besteht.

Wenn ein Objekt abkühlt, verringert sich die durchschnittliche Geschwindigkeit der Partikel, aus denen es besteht. Somit ist der absolute Nullpunkt eine solche hypothetische Temperatur, bei der die thermische Bewegung der Teilchen vollständig aufhört.

Warum hypothetisch? Weil eine solche Temperatur unerreichbar ist. Um einen Körper thermodynamisch auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen, bräuchte man ein Kältemittel, das kälter als der absolute Nullpunkt ist, aber das ist unmöglich. Damit das Kältemittel eine Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt hat, muss die durchschnittliche kinetische Bewegungsenergie seiner Partikel negativ werden, was unmöglich ist – die kinetische Energie ist direkt proportional zum Quadrat von Geschwindigkeit und Masse. Damit sie negativ wird, muss entweder die Geschwindigkeit durch eine komplexe Zahl ausgedrückt werden oder die Masse muss negativ werden.

Auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlte Körper zeigen interessante Eigenschaften, die ihnen unter normalen Bedingungen nicht innewohnen, wie z. B. Supraleitung, Supraflüssigkeit usw.

Okay, wenn der absolute Nullpunkt die untere mögliche Temperaturgrenze ist, gibt es dann eine Obergrenze? Und die Antwort ist ja! Die obere Temperaturgrenze ist die sogenannte Planck-Temperatur. Sie entspricht etwa 1,417×1⁰³² Kelvin oder Grad Celsius – auf dieser Skala ist der Unterschied zwischen der Celsius-Skala und der Kelvin-Skala so gering, dass er vernachlässigt werden kann.

Die physikalische Bedeutung der Planckschen Temperatur ist folgende: Die Wellenlänge des von einem erhitzten Körper emittierten Lichts kann als Funktion seiner Temperatur berechnet werden. Je höher die Temperatur, desto kleiner die Wellenlänge. Bei der Planck-Temperatur entspricht die Wellenlänge des emittierten Lichts einer anderen Grundkonstante – der Planck-Länge (1,616×10-⁵ m) und die Effekte der Quantengravitation beginnen zu wirken.

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An diesem Punkt befindet sich die moderne Physik in einer Sackgasse, da wir noch keine entwickelte Theorie der Quantengravitation haben und daher das Verhalten von Körpern mit einer Temperatur größer als der Planck-Temperatur im Rahmen der modernen Physik nicht zuverlässig beschreiben können.

Angeblich hatte das Universum in den ersten Nanosekunden nach dem Urknall eine Temperatur, die der Planck-Temperatur entsprach. Aber es ist nicht sicher.

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