Warum kann man 0 Kelvin nicht erreichen?

Die Unmöglichkeit, den absoluten Nullpunkt zu erreichen

In der Physik wird die Temperatur als Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in einem System definiert. Die absolute Temperaturskala, die in Kelvin (K) gemessen wird, hat ihren Nullpunkt bei -273,15 °C. Dieser Punkt wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet.

Der absolute Nullpunkt stellt die theoretische Grenze der Temperatur dar, da er den Punkt markiert, an dem alle Teilchenbewegung aufhört. In der Praxis ist es jedoch unmöglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen.

Gründe für die Unmöglichkeit

Die Unmöglichkeit, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, beruht auf zwei grundlegenden Prinzipien:

• Heisenbergs Unschärferelation:
  Laut diesem Prinzip ist es unmöglich, die Position und den Impuls eines Teilchens gleichzeitig mit absoluter Präzision zu kennen. Wenn die Temperatur eines Systems sinkt, nähert sich der Impuls der Teilchen Null, aber die Unschärferelation verhindert, dass er vollständig auf Null abfällt.

• Nullpunktsenergie:
  Selbst im Vakuum gibt es eine minimale Energiemenge, die Teilchen aufgrund ihrer Quantenmechanik besitzen, die als Nullpunktsenergie bekannt ist. Diese Energie verhindert, dass Teilchen vollständig ruhen.

Konsequenzen

Die Unmöglichkeit, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, hat mehrere wichtige Konsequenzen:

• Thermodynamische Eigenschaften:
  Der absolute Nullpunkt ist ein idealisierter Punkt, der in thermodynamischen Berechnungen zur Vereinfachung verwendet wird. Da er jedoch nicht erreichbar ist, sind thermodynamische Eigenschaften wie Entropie und freie Energie bei absoluter Null nicht definiert.

• Supraleitung und Suprafluidität:
  Bei sehr niedrigen Temperaturen können bestimmte Materialien in einen Zustand eintreten, der als Supraleitung oder Suprafluidität bekannt ist, bei dem sie keinen elektrischen Widerstand bzw. keine Viskosität aufweisen. Die Theorie legt nahe, dass diese Phänomene nur am absoluten Nullpunkt perfekt sind, aber in der Praxis können sie nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet werden.

• Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung:
  Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung ist eine Strahlung, die ein Relikt aus dem frühen Universum darstellt. Ihre Temperatur beträgt etwa 2,7 K über dem absoluten Nullpunkt. Die Tatsache, dass diese Strahlung nicht den absoluten Nullpunkt erreicht, weist darauf hin, dass das Universum noch eine minimale Restwärmeenergie besitzt.

Schlussfolgerung

Der absolute Nullpunkt ist zwar ein theoretisches Konzept, das die untere Grenze der Temperatur markiert, aber in der Praxis aufgrund grundlegender physikalischer Prinzipien wie der Heisenbergschen Unschärferelation und der Nullpunktsenergie unerreichbar ist. Die Unmöglichkeit, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, hat Auswirkungen auf unser Verständnis thermodynamischer Eigenschaften, Supraleitung und Suprafluidität sowie auf die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung.