9.7 Absoluter Nullpunkt

Quelle: Themenpool §9

Was ist Temperatur mikroskopisch? Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Sie zu senken heißt, die Teilchen langsamer werden zu lassen. Der tiefstmögliche Zustand wäre der, in dem alle Bewegung aufhört:

$$T=0\text{K}=-273,15{}^{\circ }\text{C}$$

Das ist die theoretisch tiefste Temperatur, aber niemals erreichbar (3. Hauptsatz der Thermodynamik): Man kann sich ihr beliebig nähern, sie aber in endlich vielen Schritten nicht erreichen.

Warum bleibt Restbewegung übrig? — Die Nullpunktsenergie

Selbst bei $T\to 0$ bleibt eine Nullpunktsenergie (Restenergie) — und das folgt direkt aus der Heisenberg'schen Unschärfe:

1. „Vollkommener Stillstand" hieße: Das Teilchen ruht an einem exakten Ort mit exakt Impuls null — also $\mathrm{\Delta }x=0$ und $\mathrm{\Delta }p=0$ zugleich.
2. Das würde $\mathrm{\Delta }x\cdot \mathrm{\Delta }p=0$ ergeben.
3. Das widerspricht $\mathrm{\Delta }x\cdot \mathrm{\Delta }p\ge \hslash /2$ — verboten.
4. Folglich muss ein Mindestmaß an Bewegung (und damit Energie) übrig bleiben: die Nullpunktsenergie. Absolute Ruhe gibt es in der Quantenwelt nicht.

✎ Genau das nutzt das Aspelmeyer-Experiment (§9.5): Kühlt man einen Spiegel bis fast in den Quantengrundzustand (so nah wie möglich an die Nullpunktsenergie), bleibt nur noch die quantenmechanische Restbewegung — erst dann werden Quanteneffekte an einem makroskopischen Objekt sichtbar, weil die störende thermische Bewegung weg ist.