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Dr. Babette Dellen
Dr. Babette Dellen

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Dr. Babette Dellen (33, 17.3.75) hat an der Universität zu Köln Physik studiert und an der Washington University in St. Louis (USA) promoviert. Seit 2008 forscht sie am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Ihr Forschungsschwerpunkt ist Computational Neuroscience.

Frage:

Was ist die tiefste Temperatur, die möglich ist?

Antwort:

Der kälteste bisher entdeckte, natürliche Ort im Universum ist der 5000 Lichtjahre entfernte Boomerang Nebel. Hier herrschen Temperaturen von -272,15 Grad Celsius. Doch ist dies die kälteste Temperatur, die möglich ist?

Betrachten wir zunächst, was mit „Temperatur“ überhaupt gemeint ist.  Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Bewegungsenergie von Molekülen. Was heißt das? Sowohl Festkörper als auch Flüssigkeiten und Gase sind aus Molekülen zusammengesetzt, die verschiedene Bewegungen ausführen können. In Gasen bewegen sich die Moleküle weitgehend unabhängig voneinander. In einem Festkörper hingegen sind die Moleküle eng miteinander verbunden. Bewegt sich ein Molekül, reißt es die anderen sozusagen mit: Auf diese Weise breiten sich Schallwellen im Festkörper aus. Hält man seine Hand zum Beispiel gegen einen heißen Gegenstand, so wird Energie in Form von Stößen der Moleküle gegen unsere Haut übertragen. Die Bewegung der Moleküle wird von uns als Wärme erfasst.

Aus all dem folgt, dass der Zustand, in dem alle Moleküle sich in Ruhe befinden, der tiefsten theoretisch möglichen Temperatur entspricht – also dem Zustand, bei dem die durchschnittliche Bewegungsenergie der Moleküle gleich Null ist.

Zur Temperaturmessung benutzen wir üblicherweise ein Thermometer, welches mit einer Flüssigkeit (Quecksilber, Alkohol) gefüllt ist. Diese dehnt sich mit zunehmender Bewegungsenergie der Moleküle aus. In der Physik wird die Temperatur in Kelvin  gemessen. Auf dieser Skala liegt der absolute Temperaturnullpunkt bei 0 Grad Kelvin. In der Celsius-Skala entspricht dies -273,2 Grad Celsius. Die Einheit 1 °C entspricht 1 Grad Kelvin.

Ist der absolute Temperaturnullpunkt erreichbar? Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik kann man sich dem absoluten Nullpunkt wohl beliebig nahe annähern, ihn aber nie exakt erreichen. Der Grund dafür ergibt sich aus den Gesetzen der Quantenmechanik, denen zufolge immer eine quantenmechanische Restbewegung bestehen bleibt, die als Nullpunktsenergie bezeichnet wird. Im Labor ist es bereits gelungen kleine Proben von Gasen und Metallen auf wenige Millardstel Kelvin abzukühlen.

 
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