Op 27 januari 1942 bereikte het kwik in Winterswijk -27,4°C. De laagste temperatuur ooit gemeten door een weerstation in Nederland. Behoorlijk fris, maar het kan kouder. Op Antarctica is het ’s winters gemiddeld -60°C, met uitschieters naar -90°C. Zonder jas, muts, handschoenen, winterlaarzen, thermo-ondergoed en skibril naar buiten gaan is geen goed idee. Je huidweefsel zou vrijwel meteen kapotvriezen. Nog kouder is het in de ruimte, met gemiddeld -270°C. De koudste plek die waargenomen is in het verre heelal is de Boemerangnevel, op vijfduizend lichtjaar afstand. Die tikt -272,15°C aan.
Maar het kan nog iets kouder. Daarvoor heb je geen telescoop of ruimteschip nodig. De allerkoudste plekjes in het universum zijn namelijk gewoon op aarde, in een handvol natuurkundelaboratoria, waar onderzoekers met complexe koelkasten het absolute nulpunt van -273,15°C steeds dichter naderen. Ze komen behoorlijk dichtbij met temperaturen van enkele duizendsten tot miljoensten graden boven het absolute nulpunt.
Dit doen wetenschappers niet alleen voor de kick. Bij deze ultralage temperaturen duiken bijzondere natuurkundige verschijnselen op, zoals vloeistoffen die vanzelf omhoogstromen, materialen die weerstandsloos, zonder energieverlies, elektriciteit geleiden en quantumdeeltjes die op twee plekken tegelijkertijd zijn.
De race naar het absolute nulpunt begon in de negentiende eeuw. Wetenschappers ontdekten toen dat materialen bestaan uit moleculen die opgebouwd zijn uit atomen. Als die moleculen of atomen veel energie hebben en daardoor snel bewegen dan is het materiaal warmer dan wanneer de deeltjes minder energie hebben en trager bewegen.
Dit verklaart waarom het volume van de meeste vloeistoffen en gassen toeneemt als je ze verwarmt en afneemt als je ze afkoelt – het principe waarmee ook de veelgebruikte kwikthermometers werken. Deeltjes die snel en wild door elkaar stuiteren, nemen namelijk meer ruimte in dan trage, rustige deeltjes.
Dit betekent dat er een fundamentele ondergrens zit aan temperatuur. Als je een gas steeds verder afkoelt, dan bewegen de atomen erin steeds trager totdat ze volledig stilstaan en je het materiaal niet verder kunt afkoelen. De Britse natuurkundige Lord Kelvin berekende halverwege de negentiende eeuw dat dit punt rond -273°C ligt. Hij stelde een absolute temperatuurschaal voor waarbij het nulpunt bij deze laagste energie ligt. Deze Kelvin-schaal is omarmd door de wetenschap. Het absolute nulpunt (oftewel: 0 kelvin) is nu vastgesteld op -273,15°C.
Wat wij doen is eigenlijk loodgieterswerk. We gebruiken pompen en leidingen
Toen het duidelijk werd dat er een laagste temperatuur bestaat, ontstond er een race om dat punt te bereiken. Omdat je zelfs tijdens de koudste winters op Antarctica niet onder de -90°C komt, ontwikkelden natuurkundigen systemen van pompen en buizen om gassen stapsgewijs te koelen door ze samen te persen en vervolgens te laten uitzetten. Bij dat expanderen koelt het gas.
Door stikstof te koelen tot het vloeibaar werd, konden wetenschappers -196°C bereiken. Met vloeibaar waterstof kwamen ze tot -252°C. Toen was er nog één gas over, die de grens aangaf van deze koeltechniek: helium.
Op 10 juli 1908 maakte de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes als eerste helium vloeibaar en haalde de recordtemperatuur -269°C, slechts vier graden boven het absolute nulpunt. Dat leverde het Leidse lab de titel ‘koudste plek op aarde’ op.
Koelkast als een kroonluchter
Tegenwoordig halen labs met complexere koeltechnieken dusdanig lage temperaturen dat ze niet alleen de koudste plek op aarde, maar waarschijnlijk de koudste plekken in het heelal zijn. Zo kunnen onderzoekers sinds enkele decennia wolkjes atomen afkoelen door er laserpulsen op af te vuren in de tegengestelde richting waarin de atomen bewegen. Daardoor vertragen de deeltjes. Door vervolgens de allerkoudste atomen te vangen in een soort laserval, kunnen onderzoekers tienduizenden tot honderdduizenden atomen afkoelen tot enkele microkelvin of zelfs nanokelvin – enkele miljoensten tot miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt.
Honderdduizend atomen lijkt veel, maar een milligram koolstof bevat vele triljoenen atomen. Om iets grotere objecten af te koelen gebruiken natuurkundigen daarom een andere koelkast.
„Wat wij doen is eigenlijk loodgieterswerk. We gebruiken pompen en leidingen”, vertelt Tjerk Oosterkamp, hoogleraar experimentele natuurkunde in zijn koude-lab aan de Universiteit Leiden – hemelsbreed nauwelijks 2,5 kilometer van de plek waar Kamerlingh Onnes helium vloeibaar maakte.
De ‘koelkast’ van Oosterkamp heeft wat weg van een kroonluchter. Het ding – dat tijdens experimenten in een cilindervormig omhulsel verdwijnt – bestaat uit onder elkaar hangende cirkelvormige plateaus vol kabeltjes en buisjes. Op elk plateau vindt een koelstap plaats, vertelt Oosterkamp. Bovenin begint het waar Kamerlingh Onnes eindigde. Er worden onder hoge druk stoten helium in gepompt die expanderen en koelen. Deze stap koelt tot ongeveer drie graden boven het absolute nulpunt.
Geveerde plateaus
Het pompen van het helium gaat gepaard flinke trillingen, wat zorgt voor warmte. Daarom hangen de plateaus aan veren. „Die dempen de trillingen”, vertelt Oosterkamp. „We proberen ervoor te zorgen dat elk plateau minder trilt dan dat erboven en dat het telkens kouder wordt.”
De volgende koelstappen in de kroonluchter maken gebruik van de grootheid ‘entropie’, die een belangrijke rol speelt in de thermodynamica (warmteleer). Entropie is de mate van wanorde in een systeem. Als atomen in een gas flink trillen, chaotisch door elkaar bewegen en allemaal een andere energie hebben, dan is de wanorde en dus de entropie hoog. Als ze nauwelijks bewegen en gerangschikt zijn in een keurig raster, dan is de entropie laag.
Wanorde kost energie. Als je een gas ‘wanordelijker’ maakt, dan onttrekt dat energie aan de omgeving. „Wij maken wanorde door lichtere varianten van heliumatomen [zogeheten isotopen] door zwaardere heliumisotopen te mengen”, vertelt Oosterkamp. Daardoor wordt er energie uit de omgeving onttrokken en koelt het af.
Oosterkamp gooit nog een entropie-koelstap in de strijd. Die bestaat uit een magnetisch materiaal waarin de wanorde laag is als er een magneetveld aanwezig is. Zodra het magneetveld wordt weggehaald ontstaat er vanzelf wanorde in het materiaal en koelt de omgeving af. Oosterkamp: „Met deze technieken kunnen we koelen tot enkele tienden millikelvin [tienduizendsten van een graad boven het absolute nulpunt].”
Hoewel Oosterkamp de grenzen opzoekt, koelt hij het niet voor het record. „Voor mij zijn deze ultralage temperaturen een manier om iets te leren over quantummechanica”, zegt hij. „Hoe kouder het wordt, hoe minder er gebeurt in je experiment. Dat klinkt saai, maar het opent de deur naar fragiele quantumverschijnselen die je alleen kunt waarnemen als er geen verstoringen zijn. Een warme, trillende omgeving is verstorend.” Oosterkamp onderzoekt bijvoorbeeld of objecten die groter zijn dan atomen of moleculen ook quantumgedrag vertonen en dus op twee plekken tegelijkertijd kunnen zijn. Het zal nog jaren duren voordat de techniek ver genoeg gevorderd is om dit te meten, erkent Oosterkamp. „Maar de vraag is zo belangwekkend dat ik denk dat het het waard is.”
De koelkasten kruipen van duizendsten naar miljardsten graden boven het absolute nulpunt. Bereiken ze het punt ooit helemaal? „Je komt er nooit”, zegt Daan Frenkel, emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Cambridge.
Eén molecuul heeft geen temperatuur
Het leek zo helder. Als alle atomen compleet stilstaan, dan ben je bij het absolute nulpunt. Maar dankzij de quantummechanica weten we dat het iets ingewikkelder ligt. Atomen en moleculen houden altijd een beetje energie. Die minimale energie heet de grondtoestand. Het absolute nulpunt bereik je dus als je een object volledig onder controle hebt en alle energie die je kunt onttrekken eraan onttrokken hebt, zegt Oosterkamp. „Dan is er geen enkele vrijheid meer en staat alles in een soort patstelling.”
Maar om dat voor elkaar te krijgen moet je alle deeltjes kunnen meten en kunnen stilzetten om zo het hele object in de grondtoestand te brengen. Met één molecuul, die maar uit een paar atomen bestaat, zou dat nog kunnen, maar met meer wordt dat al snel een onmogelijke taak. En één molecuul telt niet voor het absolute nulpunt. „Eén molecuul heeft geen temperatuur”, zegt Frenkel. Simpel gezegd is temperatuur namelijk alleen gedefinieerd voor een grote hoeveelheid deeltjes.
Hoe groot moet het aantal deeltjes zijn om te spreken van een temperatuur? Daarover valt te discussiëren. „Als je het aan tien verschillende natuurkundigen vraagt, krijg je tien verschillende antwoorden”, zegt Allard Mosk, hoogleraar natuurkunde in Utrecht. „Ik acht het mogelijk dat iemand binnen tien jaar met een briljant idee komt om vast te stellen dat duizend deeltjes in de grondtoestand zitten. Voor een miljoen zie ik dat niet gebeuren. De vraag is dan: als het iemand lukt om duizend deeltjes in de grondtoestand te brengen, is dat dan voldoende om te zeggen dat ze op het absolute nulpunt zijn?”
