Wie der Name schon sagt, liegt die Kältegrenze beim sogenannten absoluten Nullpunkt. Dieser Wert liegt genau bei 273,15 Grad Celsius unter Null und gilt als Ursprung der absoluten Temperaturskala: der Kelvin-Skala. Somit absoluter Nullpunkt … entspricht null Kelvin und null Grad Celsius entsprechen 273,15 Kelvin.
Vergleich der drei vorhandenen Temperaturskalen. Null Kelvin entspricht -273,15 Grad Celsius und -459 Grad Fahrenheit.
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Aber schauen wir mal, wie diese genaue Zahl erreicht werden kann (wir gehen davon aus, dass es keine leichte Aufgabe war).
Amontons spürt, dass es eine Mindesttemperatur gibt
Zu Beginn des 18. Jahrhunderts führte der französische Physiker Guillaume Amontons eine Reihe von Experimenten mit Gasen durch und bestätigte damit das Boyle-Mariotte-Gesetz. Dieses Gesetz besagt, dass das Produkt aus Druck und dem von einem Gas eingenommenen Volumen bei einer gegebenen Temperatur konstant ist. Das heißt, wenn wir den Druck erhöhen, verringert sich das Volumen im gleichen Verhältnis. Wenn wir beispielsweise den ersten verdoppeln, wird der zweite halbiert.
Mithilfe eines Quecksilberthermometers zeigte Amontons, dass der Luftdruck mit der Temperatur abnahm. Von dort aus spekulierte er, dass, wenn die Temperatur ausreichend gesenkt würde, irgendwann der Druck auf Null sinken würde. Der französische Wissenschaftler kam zu dem Schluss, dass es unmöglich sei, diese Grenze zu unterschreiten, die er auf 248 °C unter Null (oder -248 °C) schätzte.
Mehrere Wissenschaftler wiederholten die Experimente von Amontons oder ähnliche Experimente und lieferten unterschiedliche Schätzungen des absoluten Nullpunkts. Jean-Henri Lambert beispielsweise bezifferte sie Mitte des 18. Jahrhunderts auf -270 °C. Im Jahr 1802 fand Louis Joseph Gay-Lussac den Wert von -266,7 °C (obwohl er im Gegensatz zu Amontons oder Lambert glaubte, dass der absolute Nullpunkt nicht wirklich existierte, da das von ihm entdeckte Gasgesetz bei niedrigen Temperaturen nicht gelten würde).
Diese Berechnungen waren so unterschiedlich, weil sie durch Extrapolation von Daten aus Temperaturen nahe der Raumtemperatur durchgeführt wurden. Die Fehlerquote war sehr groß. Schließlich war es William Thomson (Lord Kelvin), dem es 1848 gelang, die Berechnungen korrekt durchzuführen und die Temperaturskala zu erstellen, die seinen Namen trägt, indem er den absoluten Nullpunkt auf -273 °C festlegte. Es war ein Wert, der praktisch identisch mit dem aktuellen war.
Das kalte Rennen
Im gesamten 19. Jahrhundert herrschte ein regelrechtes Kaltrennen. Wissenschaftler arbeiteten hart daran, in ihren Labors immer niedrigere Temperaturen zu erreichen. Michael Faraday (1791–1867) erreichte durch die Verflüssigung von Ammoniak eine Temperatur von -33 °C. Es gelang ihm auch, andere Gase wie Chlor oder Benzol in Flüssigkeiten umzuwandeln.
Louis Cailletet gelang es 1877 mit Sauerstoff bei -140 °C. Und sechs Jahre später brach der polnische Wissenschaftler Karol Olszewski den Rekord, indem er Luft bei -195 °C verflüssigte.
Ende des 19. Jahrhunderts kam es zu einer gewissen Rivalität zwischen dem Schotten James Dewar, Olszewski und der Niederländerin Heike Kamerlingh Onnes. Dewar stampfte auf und zeichnete die Verflüssigung von Wasserstoff bei -252,8 °C auf. Aber es war Kamerlingh Onnes, der die Führung übernahm und das schwierigste aller Gase in Flüssigkeit umwandelte: Helium. Er tat es im Jahr 1908 bei der unglaublichen Temperatur von -269,15 °C.
Nach dem Erfolg von Dewar hatte Kamerlingh Onnes erkannt, dass die Heliumverflüssigung große Anlagen erforderte, und verbrachte mehrere Jahre damit, sein Niedertemperaturlabor aufzubauen. Es verfügte nicht nur über eine mechanische Werkstatt, eine Glasbläserwerkstatt und ein Chemielabor, sondern schuf auch Schulen, um die notwendigen Fachkräfte auszubilden. Im Labor von Kamerlingh Onnes fand 15 Jahre lang die weltweit exklusive Heliumverflüssigung statt.
Warum ist es unmöglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen?
Aber wie weit kann dieses Rennen gehen? Die kinetische Gastheorie besagt, dass thermische Prozesse eine Folge der mikroskopischen Bewegung von Atomen und Molekülen sind. Nach dieser Theorie bewegen sich die Atome und Moleküle, aus denen ein Gas besteht, zufällig und unaufhörlich in alle Richtungen. Während die Temperatur das Maß für die durchschnittliche Bewegung dieser Moleküle ist, gibt der Druck die Kraft an, die sie ausüben, wenn sie von den Wänden abprallen, in denen sie sich befinden.
Aus Sicht der klassischen Physik entspricht der absolute Nullpunkt dem Punkt, an dem sich die Gasmoleküle nicht bewegen und daher keinen Druck auf die Wände ausüben. Aber die Quantenphysik – die die winzige Welt der Atome und Teilchen beherrscht – hat diese Landschaft verändert.
Zu den Besonderheiten der Quantenphysik gehört das sogenannte Heisenberg-Unbestimmtheitsprinzip. Dieses Gesetz verbietet es einem Teilchen, in Ruhe zu sein, da dann seine Position und Geschwindigkeit mit absoluter Präzision bekannt wäre, was das Prinzip ausdrücklich ausschließt. Reine Substanzen am absoluten Nullpunkt haben zwar eine sehr kleine Energie, aber eine andere als Null.
Die theoretischen Arbeiten von Walther Nernst und Max Planck im frühen 20. Jahrhundert führten zu einem weiteren wichtigen Gesetz: dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik. Es ist eng mit der Quantentheorie verbunden und hat die direkte Konsequenz, dass der absolute Nullpunkt unerreichbar ist.
Aber obwohl es nicht möglich ist, es streng zu erreichen, ist es möglich, ihm sehr nahe zu kommen. Aktuelle Techniken, bei denen leistungsstarke Laserstrahlen eingesetzt werden, um Moleküle abzubremsen und so zu kühlen, ermöglichen das Erreichen von Temperaturen in der Größenordnung von nur einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Die Tieftemperaturphysik ist eine kontinuierliche Quelle neuer Entdeckungen
So gelang es Eric Cornell und Carl Wieman 1995, mithilfe von Laserkühlung das erste Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen, was ihnen 2001 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein Zustand der Materie, in dem sich alle Teilchen befinden das gleiche Quantenniveau: das der niedrigstmöglichen Energie, das auch Grundzustand genannt wird.
Das Kondensat von Cornell und Wieman bestand aus Rubidiumatomen, die auf 0,17 Mikrokelvin abgekühlt waren, also nur 0,17 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Ohne Zweifel ist es die äußerste Grenze der Kälte.
Dieser Artikel wurde in „Das Gespräch“ veröffentlicht.
