Natuurkundigen zijn erin geslaagd atomen tot onder het absolute nulpunt te koelen. De prestatie werpt mogelijk een nieuw licht op de mysterieuze donkere materie in het heelal.
Voor het eerst zijn natuurkundigen erin geslaagd gasatomen te koelen tot onder het absolute nulpunt. Daarmee hebben ze bewezen dat negatieve temperaturen in de praktijk mogelijk zijn.
Wij zijn bij onze gebruikelijke temperatuursschaal wel gewend aan negatieve getallen (bijvoorbeeld -3°C). Het alternatief, de kelvinschaal, is een ander geval. Deze begint bij de ‘absoluut’ laagste temperatuur, 0 kelvin (-273,15°C). Op het nulpunt staan alle deeltjes in een gas helemaal stil. Omdat de beweging van deeltjes gerelateerd is aan temperatuur, zou niets kouder kunnen zijn dan 0 kelvin. Die bewering houdt echter geen stand, omdat temperatuur ook afhankelijk is van de manier waarop de energie bij de deeltjes is verdeeld.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Je kunt je zo’n energieverdeling voorstellen als een helling. Deeltjes met veel energie liggen hoog op de helling, terwijl laag-energetische deeltjes zich onderaan bevinden. Rond het absolute nulpunt hebben alle deeltjes een minimale energie. Ze liggen dan als groepje aan de voet van de helling. Als de temperatuur stijgt, neemt de energie toe. Niet elk deeltje heeft dan evenveel energie. Het resultaat: deeltjes liggen her en der op de helling, op verschillende hoogten. Het geheel ziet er dan meer chaotisch uit dan toen de deeltjes nog netjes bijeen lagen in het dal. Hoe meer energie je toevoegt, hoe meer de deeltjes zich verdelen op de helling. Bij de maximale mogelijke temperatuur liggen de deeltjes met een optimale spreiding op de helling.
De dip onder de nul
Ook op dat moment kun je nog steeds energie in het systeem blijven pompen, maar de temperatuur kan niet meer stijgen. Wel dwing je de deeltjes weer in beweging. Omdat ze niet verder uiteen kunnen, moeten ze wel dichter bijeen kruipen. Uiteindelijk vormen ze ook nu één groep, maar juist aan de top van de helling, in plaats van in het dal.
Op het moment dat de maximumtemperatuur wordt gepasseerd, vertoont de natuurkunde vreemde sprongen. Eerst neemt bij toenemende energie de temperatuur toe, en daarmee de verdeeldheid van de deeltjes op de helling. Na de maximumtemperatuur vindt echter opeens een omslag plaats: meer energie betekent minder verdeeldheid. En dat is alleen mogelijk als er een negatieve temperatuur in het spel is. Alle deeltjes aan de top van de helling betekent dus een dip onder het nulpunt.
Deze theorie is al in 2005 opgesteld door de Nederlandse fysicus Allard Mosk, maar wetenschappers van de universiteit van München slaagden er nu in de negatieve temperatuur ook daadwerkelijk in het lab te maken. Ze plaatsen zo’n honderdduizend kaliumatomen, met een temperatuur net boven de 0 kelvin, in een vacuüm. Vervolgens gebruikten ze lasers om de deeltjes energie te geven. De atomen werden zo plots bovenop de helling gezet. Als een deeltje eenmaal bovenaan lag, kon hij niet meer naar beneden ‘rollen’. Daarvoor is namelijk bewegingsenergie nodig is, en omdat het systeem in een vacuüm zat, kon het deeltje deze energie nergens vandaan halen. Hij bleef dus op zijn plaats.
Door de hele groep deeltjes plotsklaps op de helling te tillen, waren negatieve temperaturen een feit. ‘We bereikte temperaturen tot min één nanokelvin’, verklaart medeonderzoeker Ulrich Schneider aan LiveScience. Een nanokelvin is een miljardste van een graad.
Omdat een negatieve temperatuur gepaard gaat met een negatieve druk, vermoedt het Duitse onderzoeksteam een verband tussen negatieve temperaturen en donkere energie. Deze energie is de nog onverklaarde motor die zorgt dat het heelal versneld uitdijt. Voor een versnelde groei is een negatieve druk essentieel. Schneider overlegt momenteel samen met kosmologen of er misschien een parallel bestaat tussen donkere energie en negatieve temperaturen.
