Alam semesta ini dipenuhi dengan hal-hal ekstrem. Yang tercepat, yang tertua, yang terjauh, ada berbagai macam hal yang bisa Anda teliti dan kagumi dengan apa yang telah diciptakan oleh alam. Tapi bagaimana dengan yang terdingin? Anda mungkin pernah mendengar tentang nol mutlak sebelumnya, tetapi apakah Anda tahu apa yang terjadi ketika Anda mencapainya? Atau mengapa tidak ada yang bisa lebih dingin?
Konsep dasar nol mutlak ditemukan pada tahun 1702. Penemu asal Prancis, Guillaume Amontons, berteori bahwa pasti ada suhu terendah yang bisa dicapai ketika ia menyadari bahwa tekanan udara dan suhu saling berhubungan. Eksperimennya membuatnya percaya bahwa pasti ada titik ketika tekanan tidak bisa lebih rendah lagi dan, oleh karena itu, suhu tidak bisa lebih rendah lagi.
Amontons memperkirakan -240°C sebagai suhu terendah yang mungkin. Mengingat ia tidak memiliki konsep tentang pergerakan atom dan perkiraannya dibuat pada awal tahun 1700-an, cukup mengesankan bahwa ia bisa mendekati angka yang tepat.
Baru pada tahun 1848 ketika fisikawan William Thomson, yang lebih dikenal sebagai Lord Kelvin, mempersempit perkiraan tersebut dengan lebih presisi dan memberi kita skala Kelvin yang sama namanya. Sebagian dari motivasinya adalah untuk membuat skala suhu absolut yang masuk akal dan memastikan kita tidak perlu menggunakan angka negatif. Ketika Anda mulai dari nol, Anda tidak punya pilihan lain selain naik.
Tentu saja, bagi kebanyakan dari kita dalam kehidupan sehari-hari, skala Kelvin tampak tidak praktis dan rumit. Skala Celsius lebih masuk akal, karena didasarkan pada kapan air mendidih dan membeku, yang merupakan batu sentuhan yang masuk akal bagi orang awam.
Untungnya bagi kita, para ilmuwan bermain dengan suhu ekstrem sepanjang waktu hanya untuk bersenang-senang, jadi ada banyak penelitian tentang topik ini. Ambil minuman hangat dan mari kita lihat.
Fisika Nol Mutlak
Karena manusia memiliki sejarah aneh dalam mengukur hal-hal seperti kaki, kord, dan hektar, dibutuhkan beberapa waktu sebelum kita mengembangkan sesuatu yang konsisten atau logis. Celsius dan Fahrenheit pernah berjaya, tetapi skala Kelvin adalah skala yang menganggap segala sesuatu dengan serius. Nol Mutlak berarti 0 Kelvin, suhu terendah yang mungkin bisa Anda capai. Itu sama dengan -273°C atau -459,67°F.
Dingin adalah sifat relatif dari materi apa pun yang terkait dengan pergerakan atom-atomnya. Inilah mengapa ia memiliki batasan, mengapa Anda bisa mencapai suhu terendah yang mungkin, yaitu nol mutlak. Itulah titik di mana atom-atom dalam materi berhenti bergerak sama sekali, atau sedekat mungkin dengan itu, dan sistem termodinamikanya memiliki energi terendah yang mungkin bisa dimilikinya.
Ini tidak berarti bahwa atom-atom tersebut telah berhenti bergerak sepenuhnya pada nol mutlak, hanya saja energi atom-atom tersebut tidak bisa ditransfer sama sekali. Tidak ada panas, bahkan jumlah terkecil dan hampir tidak terukur pun yang dihasilkan. Karena panas berasal dari pergerakan atom, dan atom-atom tersebut mentransfer energi itu ke atom-atom lain yang mereka sentuh, tidak ada transfer panas pada nol mutlak.
Bagi kebanyakan dari kita, nol mutlak pada dasarnya hanyalah trivia dan tidak ada yang lain. Kita tidak akan pernah menemukannya dalam kehidupan nyata dan kita tentu tidak akan punya banyak waktu untuk menghargainya jika kita melakukannya, karena itu akan membunuh kita dengan sangat cepat.
Dalam kondisi laboratorium di mana nol mutlak hampir tercapai, para ilmuwan telah mengamati perubahan luar biasa dalam fisika. Misalnya, pada suhu yang sangat rendah, beberapa zat akan mengalir menanjak alih-alih menurun yang menentang gravitasi. Reaksi kimia juga harus tunduk pada kehendak dingin.
Pada nol mutlak, reaksi kimia apa pun secara teoritis harus berhenti total berdasarkan definisi. Mendekati nol mutlak, para ilmuwan dapat secara dramatis memperlambat reaksi yang biasanya terjadi dalam sepersekian detik, memungkinkan mereka untuk mengamati dan bahkan memanipulasi bagaimana reaksi tersebut terjadi.
Ilmu pengetahuan pada suhu super rendah menawarkan sekilas pandang ke hal-hal seperti mekanika kuantum yang sebaliknya tidak akan kita miliki pada suhu normal. Itulah mengapa bidang ini sangat menarik bagi para ilmuwan, karena memungkinkan mereka untuk mempelajari dan mengamati beberapa cara mendasar partikel dan reaksi terjadi di alam semesta tetapi dengan cara yang benar-benar dapat kita lihat.
Tempat Terdingin di Alam Semesta
Kita semua tahu bahwa kedalaman ruang angkasa sangat dingin, tetapi ketika kita berbicara tentang nol mutlak, di luar sana terasa sangat hangat. Kedalaman ruang angkasa yang terdalam dan tergelap adalah 2,7 Kelvin. Memang, itu akan membunuh makhluk hidup apa pun dengan sangat cepat karena itu adalah -270,45°C atau -453,8°F, tetapi itu masih jauh dari nol mutlak.
Ruang angkasa tidak seragam dalam suhu, tentu saja. Bintang-bintang seperti matahari kita memang menghangatkan segalanya ketika Anda mendekat, jadi Anda perlu menemukan tempat yang benar-benar terpencil untuk mendapatkan suhu rendah tersebut.
5.000 tahun cahaya dari Bumi Anda akan menemukan sesuatu yang disebut Nebula Boomerang. Itu terbuat dari debu dan gas-gas pengion dan itu adalah tempat alami terdingin yang mungkin akan Anda temukan. Sebuah bintang raksasa merah sekarat di tengah nebula dan karena ia melepaskan semua material bintangnya dengan kecepatan astronomis, sekitar 250 kali lebih cepat daripada jet tempur F-16, ia kehilangan panas dengan cara yang dramatis juga.
Suhu Nebula telah diukur sekitar satu derajat Celsius di atas nol mutlak. Anda dapat membandingkan itu dengan suhu terendah yang tercatat di Bumi yang berasal dari tahun 1983 dan tercatat pada -89,2°C atau -128,6°F. Itu adalah 183,95 Kelvin yang sangat panas. Suhu itu dicatat di stasiun Vostok di Antartika. Itu berarti Nebula sekitar tiga kali lebih dingin daripada Bumi yang pernah ada, yang terdengar jauh kurang menakutkan daripada yang sebenarnya.
Bisakah Kita Membuat Nol Mutlak di Laboratorium?
Satu hal yang menyenangkan tentang nol mutlak adalah bahwa para ilmuwan telah berhasil mendekatinya dalam kondisi laboratorium. Beberapa konsep ilmiah harus tetap sangat teoritis. Belum ada yang berhasil menghasilkan lubang hitam atau mengembangkan perjalanan waktu. Tetapi jika Anda menginginkan nol mutlak, yang terbaik yang telah kami capai sejauh ini adalah 38 pikokelvin, yaitu 38 triliun derajat di atas nol mutlak. Itu dicapai dengan menjatuhkan gas rubidium yang dimagnetkan ke bawah menara di laboratorium Jerman yang merupakan cara Anda membuat benda-benda benar-benar dingin hari ini.
Meskipun 38 triliun terdengar sangat dekat, kemungkinan besar kita tidak akan pernah bisa mendekat lagi. Secara umum diyakini bahwa nol mutlak tidak akan pernah benar-benar tercapai berkat fluktuasi kuantum. Termodinamika juga tidak memungkinkan seseorang untuk mencapai suhu terendah mutlak, dan kita akan membahasnya sedikit lebih lanjut nanti.
Sejauh menyangkut manusia, kendala lain adalah teknologi yang cacat. Pada titik tertentu, jelas di luar 38 triliun derajat, kita tidak dapat mengukur dengan cukup akurat untuk mengatakan dengan pasti bahwa kita telah mencapai nol mutlak yang sempurna. Nol mutlak dan sebagian kecil di atasnya tidak dapat dibedakan dari instrumen kita.
Masalah dengan instrumen sangat signifikan sehingga juga telah disarankan, bahkan jika kita dapat mencapai nol mutlak, kita mungkin bahkan tidak menyadari kita melakukannya karena potensi ketidakakuratan. Anda akan membutuhkan termometer yang dapat mengukur suhu dengan akurasi tak terbatas dan itu jelas merupakan sesuatu yang tidak dapat ada, jadi kita tidak akan pernah bisa mendapatkan pengukuran yang kita butuhkan secara tepat.
Untungnya, banyak ilmuwan yang berurusan dengan bidang penelitian ini sebenarnya tidak ingin mencapai nol mutlak. Suhu mendekati nol mutlak itulah yang paling menarik karena masih memungkinkan beberapa gerakan atom yang sangat kecil. Reaksi masih dapat diamati sedangkan, jika nol mutlak tercapai, pada dasarnya tidak akan ada apa pun untuk dilihat. Ini adalah versi fisika dari banyak penumpukan tanpa imbalan.
Meskipun nol mutlak berfungsi sebagai konsep yang hebat, ia terjebak dalam ranah teoretis, meskipun beberapa orang masih akan memperdebatkan bahwa ia secara teknis dapat dicapai. Namun, sains tidak selalu setuju tentang hal itu.
Mengapa Itu Mustahil
Neil DeGrasse Tyson menawarkan beberapa penjelasan mengapa mencapai nol mutlak sebenarnya tidak mungkin. Argumen pertamanya adalah tentang pertukaran panas dan dia menggunakan contoh kulkas. Anda memasukkan makanan bersuhu ruangan ke dalam kulkas dan udara dingin di kulkas menarik panas dari makanan. Panas adalah sesuatu, tetapi dingin hanyalah ketiadaan panas. Anda mengambil energi panas itu dari sesuatu dan ia menjadi dingin; Anda tidak perlu menambahkan apa pun ke dalamnya.
Jadi udara yang lebih dingin di kulkas mengambil panas dari makanan yang lebih hangat sampai Anda mencapai suhu keseluruhan kulkas, freezer, atau di mana pun benda yang kehilangan panas berada. Tetapi pada skala Kelvin, Anda mengalami masalah dengan nol mutlak. Untuk mengambil sedikit panas terakhir dari sesuatu untuk mencapai nol mutlak, Anda membutuhkan sesuatu yang lebih dingin dari nol mutlak (ini semua dimulai sekitar tanda 8:20 dalam video) untuk melakukannya. Anda membutuhkan sesuatu yang lebih dingin yang dapat menarik sejumlah panas yang hampir tidak terukur itu. Tetapi bagaimana itu bisa ada?
Tyson melanjutkan untuk menjelaskan masalah kedua. Menurut Fisika Kuantum, Anda tidak pernah bisa tahu persis di mana atom-atom dalam sebuah partikel berada. Getaran kuantum harus ada sepanjang waktu yang memungkinkan atom-atom tersebut bergetar, bahkan sedikit pun. Harus ada Batas Kuantum untuk nol mutlak yang mencegah atom-atom berhenti sepenuhnya karena, jika mereka melakukannya, Anda dapat menentukan atom tertentu dan itu tidak berfungsi dengan fisika.
Pada tahun 1912, diteorikan bahwa nol mutlak tidak mungkin dicapai pada garis waktu yang terbatas. Ini dikenal sebagai Prinsip Tidak Terjangkau. Ini berkaitan dengan poin pertama Tyson tentang menemukan cara untuk menghilangkan sebagian kecil derajat panas terakhir itu dari sesuatu untuk mencapai nol mutlak.
Telah ditunjukkan dalam eksperimen bahwa, untuk mendinginkan sesuatu ke nol mutlak, seseorang membutuhkan pekerjaan tak terbatas atau waduk pendingin yang sangat besar. Ketika sesuatu mendekati nol mutlak, begitu pula entropinya mendekati nol dan, menurut fisika, tidak mungkin untuk menyiapkan sistem dalam keadaan entropi nol dalam jumlah langkah yang terbatas.
Satu eksperimen telah menentukan bahwa nol mutlak secara teoritis dapat dicapai tetapi ada tiga bahan yang diperlukan untuk ini terjadi. Salah satunya adalah waktu, yang lain adalah kompleksitas, dan yang ketiga adalah energi. Masalah yang disajikan oleh eksperimen ini adalah bahwa, untuk mendapatkan nol mutlak, Anda harus memiliki salah satu dari bahan-bahan itu dalam jumlah tak terbatas. Selama Anda dapat melakukan itu, Anda dapat mencapai tujuan Anda. Anda mungkin mengenali ini sebagai cara lain untuk mengatakan bahwa tidak mungkin untuk dicapai.
Apa yang Akan Terjadi Secara Teoretis?
Satu hal yang kita ketahui terjadi pada suhu ultra-rendah, berbatasan dengan nol mutlak, adalah pembentukan Kondensat Bose-Einstein atau BEC. Sebuah BEC dianggap sebagai keadaan materi lain tetapi hanya ada pada suhu ultra-rendah ini. Itu terjadi ketika gas didinginkan secara super dan atom atau partikel subatom bergabung menjadi entitas mekanik kuantum. Itu terdengar sangat fiksi ilmiah, tetapi pada dasarnya berarti bahwa atom-atom beroperasi sebagai fungsi gelombang bersama-sama, seperti mereka baru saja menjadi satu super-atom.
Einstein, menggunakan rumus dari Bose, berteori bahwa ini akan terjadi beberapa dekade sebelum benar-benar terbukti, tetapi itu mengikuti aturan mekanika kuantum. Itu hanya dapat terjadi pada suhu rendah, namun, karena atom-atom individu perlu beroperasi pada energi yang sangat rendah sehingga mereka mulai bergerak bersama.
Jika kita dapat melewati keadaan Kondensat Bose-Einstein ini dan mencapai nol mutlak yang sebenarnya, maka materi akan kehilangan semua energi kinetiknya. Jika tidak ada energi kinetik dan atom-atom membeku di tempat, benda yang Anda amati tidak dapat lagi dianggap sebagai materi. Saat ini, fisika seperti yang kita pahami tidak memungkinkan materi untuk tidak lagi menjadi materi.