【گفتگوهای فیزیک】مولکول‌های گاز در حرکت حرارتی بی‌وقفه هستند

حرکت براونی: نمی‌توان گفت که جهان از مولکول‌ها تشکیل شده است، درست است؟ آیا از ذراتی مانند اتم‌ها، فوتون‌ها، نوترون‌ها و همچنین ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل نشده است؟

مولکول‌ها از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. اتم‌ها نیز از هسته و الکترون‌های خارج از هسته تشکیل شده‌اند. هسته اتم نیز از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است

هنوز کافی دقیق نیست. هسته اتم ممکن است فقط پروتون داشته باشد (H11 هیدروژن)

　صفر مطلق، پایین‌ترین دما در ترمودینامیک است، اما تنها یک حد پایین نظری محسوب می‌شود. واحد مقیاس دمای ترمودینامیک، کلوین (K) است؛ صفر مطلق، نقطه صفر تعریف‌شده در مقیاس دمای کلوین (که به اختصار مقیاس کلوین نیز نامیده می‌شود و با K نشان داده می‌شود) است. ۰ کلوین تقریباً معادل منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد در مقیاس سانتی‌گرادی است؛ یعنی ۰ درجه کلوین. در این دما، مولکول‌های یک جسم فاقد انرژی جنبشی هستند، اما انرژی پتانسیل آن‌ها صفر نیست؛ بنابراین انرژی داخلی جسم نیز صفر نیست. دمای یک ماده به انرژی جنبشی ذرات داخل آن، مانند اتم‌ها و مولکول‌ها، بستگی دارد. بر اساس توزیع مکسول-بولتزمان، هرچه انرژی جنبشی ذرات بیشتر باشد، دمای ماده نیز بالاتر خواهد بود. از نظر تئوری، اگر انرژی جنبشی ذرات به پایین‌ترین مقدار ممکن در مکانیک کوانتومی برسد، ماده به دمای صفر مطلق خواهد رسید و دیگر نمی‌تواند پایین‌تر شود. با این حال، صفر مطلق پایین‌ترین دمایی است که دستیابی به آن غیرممکن است و دماهای موجود در طبیعت تنها می‌توانند به طور نامحدود به آن نزدیک شوند. اگر به آنجا برسیم، همه چیز به کمترین شکل حرکت خواهد رسید. زیرا در هر فضایی، انرژی و گرما حتماً وجود دارند و به طور مداوم در یکدیگر تبدیل می‌شوند بدون آنکه ناپدید شوند. بنابراین، صفر مطلق وجود ندارد، مگر اینکه آن فضا از همان ابتدا فاقد هرگونه انرژی و گرما باشد. در صفر مطلق، اتم‌ها و مولکول‌ها کمترین انرژی را که نظریه کوانتومی اجازه می‌دهد، دارند. 　　صفر مطلق، بر اساس قوانینی که گازهای ایده‌آل تابع آن‌ها هستند (یعنی معادله حالت گازهای ایده‌آل، pV=mRT/M=mrT، که در آن r=R/M است)، با روش تخمین به دست می‌آید. با این روش، هنگامی که دما به -۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد، حجم گاز به صفر خواهد رسید. اگر از دیدگاه نظریه حرکت مولکولی بنگریم، انرژی جنبشی متوسط مولکول‌های گاز ایده‌آل توسط دمای T تعیین می‌شود؛ بنابراین می‌توان دمای صفر مطلق را «دمایی که در آن مولکول‌های گاز ایده‌آل حرکت خود را متوقف می‌کنند» نامید. هر دوی این دیدگاه‌ها تنها یک استدلال ایده‌آل هستند. در واقع، تمام گازهای واقعی در دماهای نزدیک به -۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد، ویژگی‌های کوانتومی مشخصی نشان می‌دهند؛ در این حالت، گاز از قبل به حالت مایع یا جامد درآمده است. به طور کلی، حرکت مولکول‌های گاز دیگر تابع قوانین آماری ترمودینامیک فیزیک کلاسیک نیست. از طریق آزمایش‌های فراوان و استنتاج نظریه‌های اصلاح‌شده با مکانیک کوانتومی، در نزدیکی صفر مطلق، انرژی جنبشی مولکول‌ها به یک مقدار ثابت می‌رسد؛ این مقدار حدی را «انرژی نقطه صفر» می‌نامند. این نشان می‌دهد که در دمای صفر مطلق، انرژی مولکول‌ها صفر نیست، بلکه مقدار بسیار کوچکی دارد. دلیل آن این است که تمام ذرات در پایین‌ترین حالت ممکن از نظر انرژی قرار دارند، یعنی همگی در حالت پایه هستند.

......دونیانگ پاسخ دارد.......

یاد گرفتم، مولکول‌های گاز در حال حرکت حرارتی بی‌وقفه هستند و انرژی این حرکت از منبع حرارتی تأمین می‌شود. دمای جهان طبیعی تنها می‌تواند به طور نامحدود به صفر مطلق نزدیک شود. صفر مطلق وجود ندارد؛ حتی در صفر مطلق نیز انرژی مولکول‌ها صفر نیست، بلکه مقدار بسیار کوچکی دارد.

بر اساس اصل سیاه‌چاله، حتی مولکول‌ها در دمای صفر مطلق نیز حرکت نخواهند کرد؛ آیا سیاه‌چاله‌ها فقط برای فوتون‌ها مناسب هستند؟