절대 영도
절대 영도는 물질을 구성하는 모든 분자와 원자가 움직임을 멈추는 온도입니다. 여기서 운동이란 모든 공간적, 기계적, 분자적, 진동적 운동을 의미합니다. 여기에는 일부 형태의 전자 운동도 포함되지만 양자역학의 개념에서 '영점 운동'은 포함되지 않습니다. 이 운동은 움직이는 입자의 응집 시스템이 해체되지 않는 한 멈출 수 없습니다. 이 정의의 본질상 어떤 실험에서도 절대 영도에 도달할 수는 없지만, 절대 영도보다 100만 분의 1도 이내의 저온에는 도달할 수 있습니다. 물질 내에서 일어나는 이러한 모든 분자 및 원자 운동을 통칭하여 "열 운동"이라고 하며, 육안으로는 보이지 않지만 앞으로 살펴볼 것처럼 물질의 온도 의존적 특성 대부분을 결정합니다. 두 점만 연결하면 직선이 형성되는 것처럼, 온도 눈금은 고정되고 반복 가능한 두 가지 온도에 의해 정의됩니다. 원래 하나의 표준 대기(수은 760밀리미터, 즉 760토르)에서 섭씨 온도 눈금은 얼음의 녹는점 0°C와 물의 끓는점 100°C로 정의되었고, 절대 온도 눈금은 절대 영도 oK와 얼음의 녹는점 273K로 정의되었습니다. 이렇게 하면 세 개의 고정점이 있어 온도에 불일치가 생기는 것과 같아서 과학자들은 세 점의 상호 관계에 대한 정확한 실험을 할 때마다 이 두 눈금의 정도가 동일하기를 원했기 때문에, 온도 눈금은 다른 세 점과는 달리 고정되고 반복 가능한 두 점으로 정의하게 됩니다. 따라서 이 세 점의 상호 관계에 대해 정확한 실험을 수행할 때마다 한 점의 값은 항상 1퍼센트씩 변경됩니다. 현재 국제적으로 인정되는 고정점은 절대 영점 외에 물의 '3상 점'으로 1948년에 273.16K, 즉 절대 영도보다 273.16도 높은 것으로 결정된 단 한 곳뿐입니다. 증기압이 1기압일 때 물의 정상 어는점은 273.15K(= o °C = 320 °F)로 약간 낮고, 물의 정상 끓는점은 373.15K(= 100 °C = 212 °F)입니다. 섭씨 온도 눈금으로 표현되는 이러한 고정점의 실제 값과 국제실용온도척도(IPTS)로 알려진 온도 측정을 위한 몇 가지 다른 작은 기준점, 그리고 이러한 값을 정확하게 얻기 위해 실험실에서 사용되는 도량형 방법은 국제도량형위원회에서 정기적으로 발표합니다.
1848년 영국의 과학자 윌리엄 스팀슨 켈빈 경(1824~1907)은 켈빈(K)을 측정 단위로 하는 절대 온도 눈금(ATS)이라는 새로운 온도 눈금을 확립했습니다. 이 눈금은 섭씨 눈금과 인덱싱 거리가 동일합니다. 0도는 섭씨 -273도(정확한 숫자는 -273.15℃)에 해당하는 가능한 가장 낮은 온도로, 절대 영도라고 합니다. 따라서 절대 온도를 계산하려면 섭씨 온도에 273을 더하기만 하면 됩니다. 당시에는 온도가 절대 0℃에 근접하지 않을 것이라고 생각했지만 오늘날 과학자들은 그 한계에 매우 근접해 있습니다.
물체의 온도는 실제로 물체 내부의 원자의 움직임입니다. 우리가 물체가 더 뜨겁다고 느끼는 것은 물체의 원자가 빠르게 움직이고 있다는 뜻이고, 물체가 차갑다고 느끼는 것은 물체 내부의 원자가 느리게 움직이고 있다는 뜻입니다. 우리 몸은 뜨겁거나 차가움으로 이러한 움직임을 감지하지만 물리학자들은 절대 온도, 즉 켈빈 척도로 온도를 측정합니다.
이 온도 척도에 따르면 영하 273.15도(섭씨 -273.15도)에 해당하는 절대 온도 영점(0K)을 '절대 영도'라고 하며 자연에서 가능한 가장 낮은 온도입니다. 절대 영도에서는 원자의 운동이 완전히 멈추고 이론적으로 기체의 부피는 0이 되어야 합니다. 이로부터 온도가 이 온도 이하로 떨어지는 것이 불가능한 이유와 실제로 이 온도에 도달하는 것조차 불가능하고 접근하는 것만 가능한 이유가 분명해집니다.
자연에서 가장 추운 곳은 겨울철 남극이 아니라 성간 공간의 깊은 곳으로, 절대 온도가 3도(3K), 즉 절대 영도보다 3도만 높은 곳입니다.
이 "열"(실제로 우리는 항상 절대 영도 이상의 온도에 대해 이야기하기 때문에)은 우주의 기원인 빅뱅에서 오늘날까지 살아남은 열이며, 실제로 빅뱅 이론을 지지하는 가장 놀랍도록 효과적인 증거 중 하나입니다.
실험실에서는 지난 세기 초부터 3K에 도달할 수 있는 냉각 시스템이 만들어졌고, 10여 년 전에 이미 실험실에서 도달한 최저 온도는 절대 영도보다 1/4도 높았으며, 1995년 콜로라도 대학과 국립표준연구소의 두 물리학자 에릭 코넬과 칼 윌슨이 실험실에서 도달한 최저 온도인 3K에 도달할 수 있었습니다. 그 후 1995년 콜로라도 대학교와 미국 국립표준연구소의 두 물리학자 에릭 코넬과 칼 와이먼은 루비듐 원자를 절대 영도보다 20억 분의 1(2 x 10-8 K)이라는 놀라운 온도에 도달하는 데 성공했습니다. 그들은 레이저 빔과 "자기 트랩" 시스템을 사용하여 원자의 움직임을 늦춤으로써 열이 실제로 물질의 원자 운동이라는 것을 알 수 있었습니다. 매우 낮은 온도에는 도달할 수 없으며, 당구에서 한 공을 멈추려면 다른 공으로 쳐야 하는 것처럼 각 원자의 움직임을 "정지"시키려고 노력해야 합니다. 이를 이해하려면 다음 사실을 고려하는 것으로 충분합니다. 상온에서 기체의 원자는 시속 1600킬로미터의 속도로 움직이고, 3K 온도에서는 시속 1미터의 속도로 움직이며, 20nK(2 x 10-8K)에서는 원자가 측정하기 어려울 정도로 느린 속도로 움직입니다. 20nK에서는 70년 전 아인슈타인과 인도 물리학자 보스(1894~1974)가 예견했던 물질이 새로운 성질을 띠는 새로운 상태를 발견하는 것도 가능합니다.
실제로 이러한 초고온에서 물질은 액체도 고체도 기체도 아닌 하나의 '초원자'로 응집되어 하나의 실체처럼 행동합니다.