Abone Ol

Son iki yazımızda küresel ısınma ve iklim değişikliğini inceleyince bu ay da sıcaklık üzerine devam edelim istedim. Bu ayki yazımızda sıcaklık kavramının en merak edilen konularından birisi olan mutlak sıfır sıcaklığını ve bu sıcaklık yakınlarında yapılan deneyleri inceleyeceğiz.

Konuya kavramın tanımını yaparak başlayalım: sıcaklık bir cismin sıcaklığının ya da soğukluğunun bir göstergesi, ölçüsü olarak tanımlanıyor. Termometre vb. aletlerle ölçülen sıcaklık için daha teknik bir açıklama ise şöyle: sıcaklık, bir nesnedeki parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Ortalama kinetik enerjisi yüksek olan nesnelerin sıcaklıkları da yüksek olmaktadır. Kinetik enerjisi düşen nesnelerin sıcaklıkları da düşmekte ve daha fazla düşemeyeceği en düşük noktaya ise mutlak sıfır sıcaklık noktası denmektedir. Şu an dünyada en yaygın üç sıcaklık birimi: Kelvin (K), Celcius (Santigrad °C) ve Fahrenheit (°F)’dir. Gündelik hayatta çoğunlukla Celcius, bilimsel çalışmalarda ise Kelvin birimini kullanıyoruz. Şimdi gelelim çok fazla karıştırılan ısı ve sıcaklık arasındaki farka. Bazı mühendislerin bile karıştırdığı ısı ve sıcaklık farklı iki kavramdır. Sıcaklık, bir nesnedeki parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüyken ısı, farklı sıcaklıklara sahip sistemler veya nesneler arasında aktarılan bir enerji şeklidir ve birimi joule’dür.

İlk kez 17. yüzyılda Fransız fizikçi Guillaume Amontons mutlak sıfır noktasının var olması gerektiğini belirtmiştir. Amontons o yıllarda mutlak sıfır sıcaklığını -240 ⁰C olarak tahmin etmiştir. 18. yüzyıla geldiğimizde ise, Jacques Charles ve Joseph Louis Gay-Lussac yaptıkları deneyler sonucunda mutlak sıfır değerini -270⁰C olarak belirlemişlerdir. Mutlak sıfır terimini ise ilk kez 1848’de yayımladığı bir makalesinde Lord Kelvin ya da diğer adıyla William Thomson kullanmış ve mutlak sıfırı parçacıkların minimum kinetik enerjiye sahip olma durumu ve daha fazla soğuyamayacağı nokta olarak tarif etmiştir. Aynı makalesinde -273 değerini mutlak sıfır olarak tanımlayarak tüm negatif sıcaklıkları ortadan kaldıracak yeni bir ölçek yaratmanın uygun olacağını da önermiştir. Kelvin sıcaklık birimi olarak da bilinen bu mutlak sıcaklık ölçeği yukarıda da bahsettiğimiz gibi günümüzde bilimsel alanda en çok kullanılan sıcaklık ölçeğidir.

-273 ⁰C değerinin tespit edilmesinin ardından virgülden sonraki değerin belirlenmesi için 1900’lü yılların ilk yarısında birçok bilim adamı zaman harcamış ve çalışmalar yapmıştır. Nihayetinde Tokyo Teknoloji Enstitüsü Fizik bölümü araştırmacılarından Masao Kinoshita ve Jiro Oishi yaklaşık 10 yıl süren deneyleri sonucunda mutlak sıfır noktası için -273,15⁰C değerine ulaştılar. Kinoshita ve Oishi 1930’lu yıllar boyunca süren deneyleri sırasında ihtiyaç duydukları yüksek hassasiyetli gaz termometreleri ve diğer ekipmanları kendi imkânları ile hazırladılar. Aynı yıllarda Almanya ve A.B.D.’deki iki farklı araştırma grubu da benzer deneylerle mutlak sıfır noktasını tespit etmeye çalışıyordu. Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesinin Termometri Danışma Komitesi 1939 yılından 1954 yılına kadar gerçekleştirdiği 4 toplantı sonucunda Kinoshita ve Oishi’nin sonuçlarının daha doğru olduğuna kanaat getirerek suyun donma noktasını 273,15K ve buna bağlı olarak da mutlak sıfır noktasını -273,15⁰C (0 K) olarak ilan etti.

Masao Kinoshita ve Jiro Oishi

18. yüzyılda başlayan mümkün olan en düşük sıcaklığa ulaşma hedefi, 1954 yılından sonra birçok araştırmacı ve bilim insanını da etkisi altına almış ve 0K sıcaklığına ulaşma çalışmaları yoğunlaşmıştır. Yıllar içinde yapılan sayısız deney sonucunda çok düşük sıcaklıklar elde edilmiştir. 1994 yılında NIST (Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) 700 nK (nano Kelvin=Kelvin’in milyarda biri) değerine ulaştığını duyurmuştur. 2003 yılında ise MIT’deki araştırmacılar 450 pK (0,45 nK) değerine ulaşmışlardır. Yaşadığımız yıl içinde (2021) yapılan deney sonucunda elde edilen 38 pK değeri ile şu an için rekor düşük sıcaklığa ulaşılmıştır. Bahsedilen bu deneyler sırasında her ne kadar mutlak sıfır noktasına çok yaklaşılsa da kuantum mekaniği kanunları gereği mutlak sıfır noktasına ulaşmamız mümkün görünmemektedir. Bunu şöyle açıklayabiliriz: mutlak sıfır noktasında moleküler hareket ve dolayısıyla kinetik enerji yoktur ancak kuantum mekaniğine göre hiçbir yer tamamen hareketsiz olamaz. Atomlar tamamen durursa konumları belirlenir ve dolayısıyla parçacıkların hem konumları hem de hızları aynı anda bilinir olur. Bu durum kuantum mekaniğinin kanunlarına aykırıdır. Çok düşük sıcaklıklarda kuantum dalgalanmaları sistemin enerji kazanmasına yol açarak sıcaklığının artmasını sağlar ve mutlak sıfır noktasına ulaşılmasını engeller.

Laboratuvarda elde ettiğimiz bu sıcaklıkların yanında evrenin ortalama sıcaklığının 2,7K (-270,45⁰C) ve en soğuk bölgesinin yeryüzünden 5000 ışık yılı uzaklıkta bulunan Bumerang nebulasının 1K’lik sıcaklığı olduğunu biliyoruz. Yeryüzünde doğal yollarla oluşmuş en düşük sıcaklık ise 1983 yılında Antarktika’daki Vostok istasyonunda ölçülen -89,3 ⁰C’dir.

Süleyman Kavas

ÜNTES Pazarlama ve İş Geliştirme Müdürü