Apa itu nol mutlak?

Pertanyaan berikut dikirimkan kepada saya kemarin:

Bisakah Anda memberi tahu saya apa arti nol mutlak? Bagaimana mungkin suhunya tidak bisa di bawah nilai ini? Dan jika ada nol mutlak sebagai batas suhu yang lebih rendah, apakah ada batas atas?

Ya, memang nol mutlak adalah suhu serendah mungkin yang dimiliki tubuh fisik. Dalam derajat Celcius yang biasa kita gunakan, suhu ini adalah -273,15 derajat.

Apa itu suhu? Ini adalah ukuran kuantitatif seberapa panas tubuh fisik. Apa yang bergantung pada suhu? Mengapa beberapa tubuh memiliki suhu yang lebih tinggi dan yang lain memiliki suhu yang lebih rendah? Apa yang membedakan mereka satu sama lain?

Perbedaan utama adalah kecepatan gerak Brown dari partikel-partikel yang membentuk tubuh - atom dan molekul. Semakin cepat molekul dan atom bergerak, semakin tinggi suhu tubuh, semakin lambat, semakin rendah. Lebih tepatnya, benda yang dipanaskan memiliki energi kinetik rata-rata yang lebih tinggi dari partikel penyusun benda.

Ketika sebuah benda mendingin — kecepatan rata-rata partikel penyusunnya berkurang. Jadi, nol mutlak adalah suhu hipotetis di mana gerakan termal partikel berhenti sepenuhnya.

Mengapa hipotetis? Karena suhu seperti itu tidak mungkin tercapai. Untuk mendinginkan benda ke nol mutlak secara termodinamika, Anda memerlukan zat pendingin yang lebih dingin dari nol mutlak, tetapi ini tidak mungkin. Agar zat pendingin memiliki suhu di bawah nol mutlak, energi kinetik rata-rata gerak partikelnya harus menjadi negatif, yang tidak mungkin — energi kinetik berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan dan massa. Agar menjadi negatif, kecepatan harus dinyatakan dengan bilangan kompleks, atau massa harus menjadi negatif.

Benda yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak mulai menunjukkan sifat menarik yang tidak melekat padanya dalam kondisi normal, seperti superkonduktivitas, superfluiditas, dll.

Oke, jika nol mutlak adalah batas suhu yang lebih rendah, apakah ada batas atas? Dan jawabannya adalah ya! Batas suhu atas disebut suhu Planck. Itu sama dengan sekitar 1,417×1⁰³² kelvin, atau derajat Celcius — pada skala tersebut, perbedaan antara skala Celcius dan skala Kelvin sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

Arti fisik dari suhu Planckian adalah sebagai berikut: panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh benda yang dipanaskan dapat dihitung sebagai fungsi suhunya. Semakin tinggi suhu, semakin kecil panjang gelombangnya. Pada suhu Planck, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan menjadi sama dengan konstanta fundamental lainnya — panjang Planck (1,616×10-⁵m) dan efek gravitasi kuantum mulai bekerja.

Baca juga: Melampaui kecepatan cahaya

Pada titik ini fisika modern menemui jalan buntu, karena kita belum memiliki teori gravitasi kuantum yang dikembangkan dan oleh karena itu kita tidak dapat secara andal menggambarkan perilaku benda yang memiliki suhu lebih tinggi dari suhu Planck dalam kerangka fisika modern.

Seharusnya alam semesta memiliki suhu yang sama dengan suhu Planck pada nanodetik pertama setelah big bang. Tapi itu tidak pasti.

Tepuk tangan jika Anda ingin melihat lebih banyak artikel tentang ruang di feed Anda!

Berlangganan saluran kami dan ajukan pertanyaan Anda, yang akan saya jawab di artikel berikut.