mutlak sıfırda elektronlara ne olur?

Sıcaklık dediğimiz şey, aslında bir maddenin moleküllerinin sahip olduğu kinetik enerjidir. Günlük hayatta gördüğümüz her madenin molekülü bir hareket gerçekleştirir. Katılarda bu titreşimdir, sıvılarda ve gazlarda da dönme ve ötelemedir. Her neyse, bunların da şiddetleri vardır. Maddelere ısı verdikçe ve sonucunda sıcaklıklarını arttırdığımızda, maddeleri oluşturan moleküller daha çok hareketlenir. Buna kanıt olarak da şunlar gösterebilebilir: bir damla boya, sıcak suda; soğuk suya göre daha hızlı yayılır çünkü sıcak suda moleküller daha hareketlidir ve boyayı hızlıca yayarlar. Veya bir şişenin içindeki gaz ısıtıldığında, şişe bir süre sonra patlar. Çünkü gaz ısıtılınca, moleküller şiddetlenir ve şişe basınca dayanamaz ve patlar.

Her neyse, aynı şeyin tersi; maddeyi soğutunca da olur. Mesela soğuk sudaki bir mürekkep sıcağa nazaran daha yavaş yayılır. Çünkü moleküller daha az hareketlidir bu yüzden mürekkebi daha yavaş yayarlar. Bazı matematikçiler ve bilim insanları da düşünmüş tabi: soğuyunca maddenin moleküllerinin durduğu yani hareket etmedikleri bir sıcaklık var mı diye. Hesaplar sonucunda da mutlak sıfır diye bir kavram çıkmış. Bu sıcaklığa ulaşan cisimlerin ve maddelerin molekülleri hiç bir şekilde titreşmez yani canlılık belirtisi göstermezler.

Bu kadar ön bilgi yeter diyerek gelelim soruna, elektronlar ne olur? Elektronların da benzer bir mekaniği vardır. Onların da çeşitli yollardan enerjisini arttırdığımızda daha çok hareketlenirler. Klasik fizikte bu sorunun cevabı diğer maddelerde olduğu gibi evet olacaktır. Fakat kuantum dünyasında işler biraz değişiyor. Bunun nedeni Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işıması (CMB). Elektronlar çok hassas parçacıklar olduğu için CMB'den nasiplerini alıyorlar. Bu yüzden elektronlar mutlak sıfıra ulaşsalar bile CMB'den dolayı çok az da olsa hareket edecekler.

Fakat CMB'nin olmadığını varsayarsak şu sonuca varabiliriz: Heisenberg Belirsizlik İlkesi bir parçacığın hem konumunu hem de momentumunu ancak ve ancak ters orantılı bir şekilde ölçebileceğimizi söyler. Mesela momentumu %60 doğruluk payıyla ölçmek istersem, konumu ancak %40 doğruluk payıyla ölçebilirim.

Mutlak sıfırda da bir parçacığı ele alalım. (Tekrardan hatırlatayım, CMB'nin olmadığını varsayıyoruz) Parçacığın hızı 0 olacaktır, çünkü halihazırda duruyordur. Konumu da bellidir, çünkü orada duruyor, bir rastgelelik yok. Fakat bu belirsizlik ilkesini ihlal ediyor. Bu yüzden CMB'nin olmadığını varsayarsak böyle bir sonuç çıkıyor. Fakat CMB varken, cismin momentumunu sıfıra indirgemiyoruz; bu yüzden belirsizlik ilkesini de ihlal etmiyoruz.

Bu yüzden bir sıkıntı çıkmıyor. Fakat tüm evreni mutlak sıfıra getirseydik bunun imkansız bir şey olduğunu söyleyebilirdik. Çünkü her şeyin mutlak sıfır olması, neredeyse tüm enerjinin puf diye yok olması anlamına gelirdi. Bu hem enerjinin korunumunu ihlal eder hem de belki entropiyi ihlal eder. Çünkü enerjinin yok olması, entropiyi aşağıya çekebilir. Fakat evren gibi kapalı sistemlerde entropi hiç azalmaz. Fakat bundan emin değilim, bunu gösterebilmek için güzel bir matematik bilgisi lazım bence. Bu sorunun bu yüzden iki cevabı var. Fakat CMB'nin etkisi çok düşüktür, belki de dikkate alınmaya da değmez. Fakat sonuçta bu fizik, bir sürü olgu var ve bunlar reddedilemez.