পরম শূন্য

শূন্য কেলভিন (−২৭৩.১৫ °C) কে পরম শূন্য তাপমাত্রা হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয়েছে।

পরম শূন্য তাপমাত্রা হলো তাপগতিবিজ্ঞানের তাপমাত্রা স্কেলের সবচেয়ে নিম্ন বিন্দু, যেখানে শীতল করা একটি আদর্শ গ্যাসের এনথ্যালপি ও এনট্রপি তাদের সর্বনিম্ন মানে পৌঁছে। এই অবস্থায় প্রাকৃতিক মৌলিক কণাগুলোর কম্পন গতি প্রায় সম্পূর্ণ বন্ধ হয়ে যায় এবং কেবলমাত্র কোয়ান্টাম বলবিদ্যাজনিত শূন্য-পয়েন্ট শক্তির কারণে সামান্য কণাগত গতি বজায় থাকে।

এই তাত্ত্বিক তাপমাত্রাটি আদর্শ গ্যাস সূত্র অনুসারে হিসাব করে নির্ধারণ করা হয়। আন্তর্জাতিকভাবে স্বীকৃতভাবে, পরম শূন্য তাপমাত্রা ধরা হয় ০ কেলভিন (যা আন্তর্জাতিক একক পদ্ধতির অন্তর্ভুক্ত)। এটি সেলসিয়াস স্কেলে −২৭৩.১৫ ডিগ্রি এবং ফারেনহাইট স্কেলে −৪৫৯.৬৭ ডিগ্রির সমান। কেলভিন ও র‍্যাঙ্কিন স্কেল উভয়ই তাদের শূন্য বিন্দু নির্ধারণ করে পরম শূন্য তাপমাত্রার উপর ভিত্তি করে।

এটি সাধারণভাবে সর্বনিম্ন তাপমাত্রা হিসেবে বিবেচিত হলেও, এটি কোনো পদার্থের সর্বনিম্ন এনথ্যালপি অবস্থা নয়। কারণ বাস্তব পদার্থসমূহ শীতল হওয়ার সময় তরল ও কঠিন অবস্থায় রূপান্তরের দিকে অগ্রসর হওয়ার সঙ্গে সঙ্গে আদর্শ গ্যাসের আচরণ থেকে বিচ্যুত হয়। গ্যাস থেকে তরল ও তরল থেকে কঠিনে রূপান্তরের জন্য প্রয়োজনীয় বাষ্পীভবনের এনথ্যালপি ও ঘনীভবনের এনথ্যালপির যোগফল, একটি আদর্শ গ্যাসের পরম শূন্য তাপমাত্রায় পৌঁছাতে যেই পরিমাণ শক্তি পরিবর্তন ঘটে, তার থেকেও বেশি।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় বর্ণনা অনুযায়ী, পদার্থ পরম শূন্য তাপমাত্রায় তার গ্রাউন্ড স্টেট বা সর্বনিম্ন অভ্যন্তরীণ শক্তির অবস্থায় থাকে।

তাপগতিবিজ্ঞানের সূত্রগুলো অনুযায়ী, কেবলমাত্র তাপগতীয় পদ্ধতি ব্যবহার করে পরম শূন্য তাপমাত্রা কখনোই অর্জন করা যায় না, কারণ শীতল পদার্থটির তাপমাত্রা শীতলকরণ উপকরণের তাপমাত্রার দিকে ধীরে ধীরে ঘনিষ্ঠ হয়, যা অ্যাসিম্পটোটিক রূপে ঘটে। এমনকি যদি কোনোভাবে পরম শূন্য তাপমাত্রা অর্জন করা যেত, তাহলেও তাতে শূন্য-পয়েন্ট শক্তি রয়ে যেত—যা হল সেই অবস্থার গতিশক্তির রূপ, এবং এটি পুরোপুরি অপসারণযোগ্য নয়।

বিজ্ঞানী ও প্রযুক্তিবিদরা নিয়মিতভাবেই পরম শূন্য তাপমাত্রার কাছাকাছি তাপমাত্রা অর্জন করেন। এ ধরনের অবস্থায় পদার্থে দেখা যায় বিশেষধরনের কোয়ান্টাম প্রভাব, যেমন সুপারকন্ডাক্টিভিটি, সুপারফ্লুইডিটি, এবং বোস–আইনস্টাইন সংকোচন।

পরম শূন্য তাপমাত্রার নিকটবর্তী তাপগতিবিজ্ঞান

যখন তাপমাত্রা ০ kelvin (−২৭৩.১৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস; −৪৫৯.৬৭ ডিগ্রি ফারেনহাইট)–এর কাছাকাছি পৌঁছায়, তখন প্রায় সব ধরনের অণু গতি বন্ধ হয়ে যায় এবং কোনো অ্যাডিয়াবেটিক প্রক্রিয়ার জন্য ΔS = 0 হয়, যেখানে S হলো এনট্রপি। এই অবস্থায় বিশুদ্ধ পদার্থ (আদর্শভাবে) এমন নিখুঁত স্ফটিকে পরিণত হতে পারে, যেখানে কোনো গাঠনিক ত্রুটি থাকে না এবং T → 0 হয়। ম্যাক্স প্লাঙ্কের তৃতীয় তাপগতিক সূত্রের কঠোর রূপ অনুযায়ী, নিখুঁত স্ফটিকের এনট্রপি পরম শূন্য তাপমাত্রায় শূন্য হয়। নের্নস্টের মূল নের্নস্ট তাপ সূত্র তুলনামূলকভাবে দুর্বল এবং কম বিতর্কিত দাবি করে যে, যেকোনো সমতাপীয় প্রক্রিয়ার জন্য এনট্রপি পরিবর্তন T → 0 হলে শূন্যে পৌঁছে:

$\lim _{T\to 0}\Delta S=0$

এর অর্থ হলো, নিখুঁত স্ফটিকের এনট্রপি একটি ধ্রুবক মানের দিকে এগিয়ে যায়। একটি অ্যাডিয়াবেটিক প্রক্রিয়া এমন একটি অবস্থা বোঝায়, যেখানে এনট্রপি অপরিবর্তিত থাকে এবং সাধারণত এটি একটি বক্ররেখা হিসেবে চিত্রায়িত হয়, যেমনটি সমতাপ রেখা বা সমপীড়ন রেখার ক্ষেত্রে দেখা যায়।

নের্নস্ট মতবাদ অনুসারে, T = 0 সমতাপ রেখাটি S = 0 অ্যাডিয়াবেট রেখার সঙ্গে মিলিত হয়। যদিও অন্যান্য সমতাপ ও অ্যাডিয়াবেট রেখাগুলো পৃথক, তবুও কোনো দুটি অ্যাডিয়াবেট রেখা একে অপরকে ছেদ করতে পারে না। এর ফলে, কোনো অ্যাডিয়াবেটিক প্রক্রিয়া যা শূন্যের উপরের তাপমাত্রা থেকে শুরু হয়েছে, তা কখনোই শূন্য তাপমাত্রায় পৌঁছাতে পারে না (≈ ক্যালেন, পৃষ্ঠা ১৮৯–১৯০)।

একটি নিখুঁত স্ফটিক হলো এমন একটি কাঠামো, যার অভ্যন্তরীণ জালিকা সুনির্দিষ্টভাবে তিনটি (সাধারণত লম্ব নয় এমন) স্থানাঙ্ক অক্ষে বরাবর অনবরত ছড়িয়ে থাকে। প্রতিটি জালিকা উপাদান, তা একক পরমাণু হোক বা অণুসমষ্টি, তার নির্দিষ্ট স্থানে অবস্থান করে। যেসব রাসায়নিক পদার্থের একাধিক স্থিতিশীল স্ফটিক রূপ বিদ্যমান (যেমন কার্বনের জন্য হীরক ও গ্রাফাইট), সেখানে এক ধরনের রাসায়নিক ডিজেনারেসি দেখা যায়। প্রশ্ন থেকে যায়, যদিও উভয় রূপই সুনির্দিষ্টভাবে সজ্জিত, তবুও T = 0 তে তারা উভয়েই শূন্য এনট্রপি পেতে পারে কিনা।

বাস্তবে নিখুঁত স্ফটিক কখনোই সৃষ্টি হয় না; বিভিন্ন রকমের ত্রুটি, এমনকি সম্পূর্ণ অ্যামরফাস অন্তঃস্থ উপাদান পর্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় “বদ্ধ” অবস্থায় থেকে যেতে পারে, যার ফলে আরও স্থিতিশীল অবস্থায় রূপান্তর ঘটে না।

ডিবাই মডেল ব্যবহার করে দেখা যায়, একটি বিশুদ্ধ স্ফটিকের নির্দিষ্ট তাপধারণ ক্ষমতা ও এনট্রপি T³-এর আনুপাতিক, এবং এনথ্যালপি ও রাসায়নিক সম্ভাবনা T⁴-এর আনুপাতিক (গুগেনহাইম, পৃ. ১১১)। এই মানগুলো T = 0 সীমাবদ্ধ মানের দিকে অগ্রসর হয় এবং সেই বিন্দুতে পৌঁছায় শূন্য ঢালের মাধ্যমে। নির্দিষ্ট তাপধারণ ক্ষমতার ক্ষেত্রে, এই সীমাবদ্ধ মান শূন্য—এটি পরীক্ষায় প্রমাণিত হয়েছে ১০ কেলভিনেরও নিচে। এমনকি অপেক্ষাকৃত সাধারণ আইনস্টাইন মডেলও নির্দিষ্ট তাপধারণ ক্ষমতার এই আকস্মিক পতন প্রদর্শন করে। প্রকৃতপক্ষে, সমস্ত নির্দিষ্ট তাপধারণ ক্ষমতাই পরম শূন্য তাপমাত্রায় শূন্যে পৌঁছে, শুধু স্ফটিক নয়। একই কথা প্রযোজ্য তাপীয় প্রসারণ সহগর ক্ষেত্রেও। ম্যাক্সওয়েল সম্পর্ক দেখায় যে আরও বিভিন্ন পরিমাণও এই অবস্থায় শূন্যে পৌঁছে। এসব ঘটনা পূর্বাভাসহীন ছিল।

যেহেতু গিবস মুক্ত শক্তি (G), এনথ্যালপি (H) এবং এনট্রপি (S)-র মধ্যে সম্পর্ক হলো:

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S\,$

তাই, যখন T কমে যায়, তখন ΔG ও ΔH একে অপরের নিকটবর্তী হয় (যতক্ষণ ΔS সসীম থাকে)। পরীক্ষায় দেখা গেছে যে, সব স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়া (যেমন রাসায়নিক বিক্রিয়া) G হ্রাস করে যখন তা সাম্যাবস্থার দিকে অগ্রসর হয়। যদি ΔS ও/অথবা T ছোট হয়, তবে ΔG < 0 মানে হতে পারে ΔH < 0, অর্থাৎ বিক্রিয়াটি বহির্গামী তাপ বিশিষ্ট। তবে এটি আবশ্যিক নয়; অন্তঃসোষণীয় বিক্রিয়াও স্বতঃস্ফূর্তভাবে হতে পারে, যদি TΔS পরিমাণটি যথেষ্ট বড় হয়।

এছাড়াও, ΔG এবং ΔH–এর অবকলনের ঢাল একই দিকে যায় এবং T = 0 এ তাদের ঢাল শূন্য হয়। এর ফলে ΔG এবং ΔH তাপমাত্রার একটি বিস্তৃত সীমার মধ্যে প্রায় একই রকম থাকে এবং এটি থমসেন ও বেরথেলটের আনুমানিক নীতিকে সমর্থন করে, যা বলে: কোনো প্রক্রিয়ায় এমন সাম্যাবস্থার দিকে যাওয়া হয়, যাতে সবচেয়ে বেশি তাপ নির্গত হয়, অর্থাৎ বাস্তব বিক্রিয়াটি সবচেয়ে বহির্গামী তাপ বিশিষ্ট হয় (ক্যালেন, পৃষ্ঠা ১৮৬–১৮৭)।

একটি মডেল যা ধাতুতে পরম শূন্য তাপমাত্রায় ইলেকট্রন গ্যাসের ধর্ম নির্ধারণ করে, তা হলো ফার্মি গ্যাস। যেহেতু ইলেকট্রন ফার্মিয়ন, তাই তাদের আলাদা কোয়ান্টাম অবস্থানে থাকতে হয়, ফলে এমনকি পরম শূন্য তাপমাত্রাতেও তাদের সাধারণ গতি অনেক বেশি থাকে। এই অবস্থায় ইলেকট্রনের সর্বোচ্চ শক্তিকে বলা হয় ফার্মি শক্তি। ফার্মি তাপমাত্রা বলা হয় এই শক্তিকে বল্টজমান ধ্রুবক দিয়ে ভাগ করে প্রাপ্ত মানকে, যা সাধারণত ৮০,০০০ K-এর কাছাকাছি হয় ধাতুর ইলেকট্রন ঘনত্ব অনুযায়ী। ফার্মি তাপমাত্রার অনেক নিচে তাপমাত্রা থাকলে, ইলেকট্রনের আচরণ কার্যত পরম শূন্য তাপমাত্রায় থাকা ইলেকট্রনের মতই হয়। এ কারণেই ধাতুতে শক্তি বিভাজন উপপাদ্যর ব্যর্থতা ঘটে, যা উনবিংশ শতাব্দীর শেষভাগে ধ্রুপদী পদার্থবিদরা ব্যাখ্যা করতে পারেননি।

বোস–আইনস্টাইন সংকোচনের সঙ্গে সম্পর্ক

মূল নিবন্ধ: বোস–আইনস্টাইন সংকোচন

রুবিডিয়াম পরমাণুর গ্যাসের বেগ-বিতরণ সংক্রান্ত ডেটা, যা পরম শূন্য তাপমাত্রার মাত্র কয়েক বিলিয়ন ভাগ উপরের তাপমাত্রায় তোলা। বামদিকে: সংকোচনের পূর্ব মুহূর্ত। মাঝখানে: সংকোচন শুরু হওয়ার পরপর। ডানে: আরও বাষ্পীভবনের পর, যেখানে প্রায় বিশুদ্ধ সংকোচন নমুনা দেখা যায়।

বোস–আইনস্টাইন সংকোচন (Bose–Einstein condensate বা BEC) হলো একটি বিশেষ পদার্থের অবস্থাবিশেষ, যা দুর্বলভাবে পারস্পরিক ক্রিয়াশীল বোসন কণার এক বিরল গ্যাস থেকে তৈরি হয়। এই কণাগুলোকে একটি বাহ্যিক শক্তিক্ষেত্রে সীমাবদ্ধ করে প্রায় পরম শূন্য তাপমাত্রায় ঠান্ডা করা হয়। এই অবস্থায়, একটি বড় অংশের বোসন ঐ বাহ্যিক শক্তিক্ষেত্রের সর্বনিম্ন কোয়ান্টাম অবস্থায় অধিষ্ঠিত হয়, ফলে কোয়ান্টাম প্রভাবগুলো দৃশ্যমান স্কেলে প্রকাশ পেতে শুরু করে।

এই পদার্থগত অবস্থাটি প্রথম পূর্বাভাস দেন সত্যেন্দ্রনাথ বসু ও আলবার্ট আইনস্টাইন ১৯২৪–১৯২৫ সালে। বসু প্রথমে আলোর কণার (বর্তমানে ফোটন নামে পরিচিত) কোয়ান্টাম পরিসংখ্যানবিদ্যা নিয়ে একটি প্রবন্ধ আইনস্টাইনের কাছে পাঠান। আইনস্টাইন এতে মুগ্ধ হয়ে প্রবন্ধটি ইংরেজি থেকে জার্মান ভাষায় অনুবাদ করেন এবং বসুর হয়ে Zeitschrift für Physik পত্রিকায় প্রকাশের জন্য পাঠান। এরপর আইনস্টাইন বসুর তত্ত্বকে পদার্থ কণার (বা বস্তু) ক্ষেত্রে সম্প্রসারিত করেন দুটি পৃথক প্রবন্ধে।

সত্তর বছর পর, ১৯৯৫ সালে ইরিক করনেল ও কার্ল উইম্যান কোলোরাডো বিশ্ববিদ্যালয়, বোল্ডার-এর NIST ও JILA গবেষণাগারে প্রথম গ্যাসীয় বোস–আইনস্টাইন সংকোচন তৈরি করতে সক্ষম হন। তারা রুবিডিয়াম পরমাণুর গ্যাসকে ঠান্ডা করে প্রায় ১.৭ × ১০⁻⁷ কেলভিন (বা ১৭০ ন্যানোকেলভিন) তাপমাত্রায় নিয়ে আসেন।

২০০৩ সালে MIT-এর গবেষকরা সোডিয়াম পরমাণুর BEC–এ ৪৫০ ± ৮০ পিকোকেলভিন (৪.৫×১০^−১০ K) তাপমাত্রা অর্জন করতে সক্ষম হন। এই অবস্থায় সংশ্লিষ্ট ব্ল্যাক বডির শীর্ষ বিকিরণ তরঙ্গদৈর্ঘ্য হয় প্রায় ৬.৪ মেগামিটার, যা প্রায় পৃথিবীর ব্যাসার্ধের সমান।

২০২১ সালে, ব্রেমেন বিশ্ববিদ্যালয়র পদার্থবিদরা একটি BEC তৈরি করেন মাত্র ৩৮ পিকোকেলভিন তাপমাত্রায়, যা এখন পর্যন্ত রেকর্ডকৃত সবচেয়ে নিম্ন তাপমাত্রা।

পরম তাপমাত্রা স্কেলসমূহ

পরম, বা তাপগতীয় তাপমাত্রা সাধারণভাবে কেলভিন স্কেলে পরিমাপ করা হয় (যার একক বৃদ্ধি সেলসিয়াস স্কেলের অনুরূপ), এবং তুলনামূলকভাবে কম ব্যবহৃত হলেও র‍্যাঙ্কিন স্কেল-এও (যার একক বৃদ্ধি ফারেনহাইট স্কেলের অনুরূপ) পরিমাপ করা হয়। পরম তাপমাত্রা পরিমাপ একটি গুণক ধ্রুবকের মাধ্যমে নির্ধারিত হয়, যা "ডিগ্রি"-র পরিমাপ নির্ধারণ করে। তাই দুটি পরম তাপমাত্রার অনুপাত, T₂/T₁, সব স্কেলেই সমান থাকে।

এই মানদণ্ডের সবচেয়ে সুস্পষ্ট সংজ্ঞা পাওয়া যায় ম্যাক্সওয়েল–বোল্টজমান বণ্টন সূত্র থেকে। এছাড়াও, একে ফার্মি–ডিরাক পরিসংখ্যান (যা অর্ধ-পূর্ণাঙ্ক স্পিন বিশিষ্ট কণার জন্য প্রযোজ্য) এবং বোস–আইনস্টাইন পরিসংখ্যান (পূর্ণাঙ্ক স্পিন বিশিষ্ট কণার জন্য) থেকে নির্ণয় করা যায়।

এই সব পরিসংখ্যানবিধি একটি ব্যবস্থায় কণার আপেক্ষিক সংখ্যা বর্ণনা করে, যা শক্তির উপর নির্ভরশীল একটি হ্রাসমান সূচকীয় ফাংশন হিসেবে প্রকাশিত হয় kT দ্বারা বিভাজিত অবস্থায়; এখানে k হলো বল্টজমান ধ্রুবক এবং T হলো ম্যাক্রোস্কোপিক পর্যবেক্ষণে ব্যবহৃত তাপমাত্রা।

নেতিবাচক তাপমাত্রা

মূল নিবন্ধ: নেতিবাচক তাপমাত্রা

পরিচিত সেলসিয়াস বা ফারেনহাইট স্কেলে নেতিবাচক মানে প্রকাশিত তাপমাত্রা মানে শুধুই ওই স্কেলগুলোর শূন্য বিন্দুর চেয়ে ঠান্ডা অবস্থা বোঝায়। তবে কিছু নির্দিষ্ট তাপগতীয় ব্যবস্থা প্রকৃত অর্থেই নেতিবাচক তাপমাত্রা অর্জন করতে পারে—অর্থাৎ তাদের তাপগতীয় তাপমাত্রা (যা কেলভিন স্কেলে প্রকাশিত হয়) একটি নেতিবাচক মান ধারণ করতে পারে।

তবে এমন ব্যবস্থা পরম শূন্য তাপমাত্রার চেয়ে ঠান্ডা নয়। বরং, নেতিবাচক তাপমাত্রার একটি ব্যবস্থা যেকোনো ধনাত্মক তাপমাত্রার ব্যবস্থার তুলনায় *অধিক উত্তপ্ত*। অর্থাৎ, যদি একটি নেতিবাচক তাপমাত্রার ব্যবস্থা এবং একটি ধনাত্মক তাপমাত্রার ব্যবস্থা একে অপরের সংস্পর্শে আসে, তবে তাপ প্রবাহ ঘটে নেতিবাচক তাপমাত্রার ব্যবস্থা থেকে ধনাত্মক তাপমাত্রার ব্যবস্থার দিকে।

সাধারণত অধিকাংশ পরিচিত ব্যবস্থা নেতিবাচক তাপমাত্রা অর্জন করতে পারে না, কারণ সেগুলোর ক্ষেত্রে শক্তি যোগ করলে সর্বদা এনট্রপি বৃদ্ধি পায়। তবে কিছু ব্যবস্থায় এমন একটি সর্বোচ্চ শক্তি সীমা থাকে, যার পরে আর শক্তি যোগ করা যায় না। এই সীমার কাছাকাছি পৌঁছালে তাদের এনট্রপি উল্টো কমতে শুরু করে। যেহেতু তাপমাত্রা মূলত শক্তি ও এনট্রপির সম্পর্ক দ্বারা সংজ্ঞায়িত হয়, তাই এ ধরনের ব্যবস্থায় শক্তি যোগ করলেও তাপমাত্রা নেতিবাচক হয়ে যায়।

এর ফলে, নেতিবাচক তাপমাত্রার ব্যবস্থার ক্ষেত্রে বল্টজমান ফ্যাক্টর রাষ্ট্রের শক্তি বৃদ্ধির সঙ্গে সঙ্গে হ্রাস পায় না, বরং বৃদ্ধি পায়। তাই কোনো পূর্ণাঙ্গ ব্যবস্থা—যেমন যেখানে তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গধারা অন্তর্ভুক্ত থাকে—নেতিবাচক তাপমাত্রা ধারণ করতে পারে না, কারণ এমন ব্যবস্থার জন্য সর্বোচ্চ শক্তি অবস্থার কোনো সীমা থাকে না; ফলে রাষ্ট্রগুলোর সম্ভাব্যতার যোগফল অসীমে পৌঁছায়, যা অগ্রহণযোগ্য।

তবে, যেসব ব্যবস্থা সাময়িক বা আংশিক সাম্যাবস্থায় থাকে—যেমন: তড়িচ্চুম্বকীয় ক্ষেত্রের সঙ্গে সাম্যাবস্থার বাইরে থাকা স্পিন ব্যবস্থা—তাদের জন্য এই সীমাবদ্ধতা প্রযোজ্য নয়, এবং এসব ক্ষেত্রে নেতিবাচক কার্যকরী তাপমাত্রা অর্জনযোগ্য।

২০১৩ সালের ৩ জানুয়ারি, পদার্থবিদরা ঘোষণা দেন যে তারা প্রথমবারের মতো পটাশিয়াম পরমাণুর একটি কোয়ান্টাম গ্যাস তৈরি করেছেন, যার গতি-সম্পর্কিত মাত্রায় নেতিবাচক তাপমাত্রা ছিল।

ইতিহাস

রবার্ট বয়েল পরম শূন্য তাপমাত্রার ধারণার প্রবর্তক ছিলেন।

পরম শূন্য তাপমাত্রার সম্ভাবনা নিয়ে প্রথম আলোচনা করেন রবার্ট বয়েল। ১৬৬৫ সালে প্রকাশিত তাঁর New Experiments and Observations touching Cold গ্রন্থে “primum frigidum” নামে পরিচিত বিতর্কের আলোচনা ছিল। এই সময়ে প্রকৃতিবিদদের মধ্যে পরম ঠান্ডার ধারণাটি সুপরিচিত ছিল। কেউ কেউ মনে করতেন এটি পৃথিবীর (চারটি ধ্রুপদী উপাদানর একটি) মধ্যে, কেউ বলতেন জলের মধ্যে, কেউ বা বাতাসে, এবং কেউ কেউ নাইটার-এর মধ্যে এর অস্তিত্ব কল্পনা করতেন। তবে তাদের সকলেরই বিশ্বাস ছিল, “একটি পদার্থ এমন আছে যা স্বভাবে চরম ঠান্ডা এবং যেটির অংশগ্রহণে অন্যান্য বস্তু ঠান্ডা হয়ে ওঠে।”

ঠান্ডার সীমা

"ঠান্ডার মাত্রা"র কোনো সীমা আছে কি না এবং থাকলে শূন্য কোথায় হবে—এই প্রশ্ন প্রথম উত্থাপন করেন ফরাসি পদার্থবিদ গিয়োম আমন্তোং ১৭০৩ সালে, যখন তিনি বায়ু থার্মোমিটারে উন্নয়ন আনেন। এই যন্ত্র বায়ুর চাপ দ্বারা পারদের স্তম্ভ ধরে রাখার উচ্চতা পরিমাপ করে তাপমাত্রা নির্ণয় করত। আমন্তোং যুক্তি দেন, সেই তাপমাত্রা যেখানে বায়ুর চাপ "শূন্যে" নেমে আসে, সেটিই তাঁর থার্মোমিটারের শূন্য বিন্দু হবে।

তিনি এমন একটি স্কেল ব্যবহার করেন, যেখানে জলের স্ফুটন বিন্দু ছিল +৭৩ এবং বরফ গলার বিন্দু ছিল +৫১+১⁄২, ফলে তাঁর স্কেলে শূন্য প্রায় −২৪০ °C-এর সমান হয়। যদিও আমন্তোং বিশ্বাস করতেন যে এই শূন্য তাপমাত্রা অর্জনযোগ্য নয়, তবুও এটি গাণিতিকভাবে নির্ণয় করার চেষ্টা করেননি।

এই −২৪০ °C-এর কাছাকাছি মান জর্জ মার্টিন ১৭৪০ সালে প্রকাশ করেন। পরবর্তীতে জোহান হাইনরিশ ল্যামবার্ট ১৭৭৯ সালে এটি সংশোধন করে −২৭০ °C হিসেবে উল্লেখ করেন।

তবে সেই সময় সকল বিজ্ঞানী এই মান গ্রহণ করেননি। পিয়ের-সিমঁ লাপ্লাস ও আঁতোয়ান লাভয়জিয়ে ১৭৮০ সালে প্রকাশিত তাদের তত্ত্বে পরম শূন্য তাপমাত্রাকে হিমাঙ্কের প্রায় ১৫০০ থেকে ৩০০০ নিচে এবং অন্তত ৬০০ নিচে বলে গণ্য করেন। জন ডাল্টন তাঁর Chemical Philosophy গ্রন্থে ১০টি ভিন্ন গণনার পর −৩০০০ °C মানটি গ্রহণ করেন।

শার্লের সূত্র

১৭৮৭ থেকে ১৮০২ সাল পর্যন্ত জ্যাক শার্ল (অপ্রকাশিত), জন ডাল্টন, এবং জোসেফ লুই গে-লুসাক আবিষ্কার করেন যে, নির্দিষ্ট চাপের অধীনে আদর্শ গ্যাসের আয়তন তাপমাত্রার পরিবর্তনের সাথে সরলরৈখিকভাবে (১/২৭৩ অংশ প্রতি ডিগ্রি সেলসিয়াস) বাড়ে বা কমে—যা শার্লের সূত্র নামে পরিচিত। এর ফলে অনুমান করা হয়, যদি গ্যাসকে −২৭৩ °C পর্যন্ত ঠান্ডা করা যায়, তবে তার আয়তন শূন্যে পৌঁছাবে।

লর্ড কেলভিনের অবদান

জেমস প্রেসকট জুল তাপের যান্ত্রিক সমতুল্য নির্ধারণের পর, উইলিয়াম থমসন ভিন্ন দৃষ্টিকোণ থেকে ১৮৪৮ সালে একটি পরম তাপমাত্রা স্কেল প্রস্তাব করেন, যা কোনো পদার্থের নির্দিষ্ট ধর্মের উপর নির্ভরশীল নয়। এটি কার্নোর তত্ত্ব এবং অঁরি ভিক্টর রেনোর পরিমাপের উপর ভিত্তি করে গঠিত ছিল। এই স্কেল অনুসারে শূন্য তাপমাত্রা নির্ধারিত হয় −২৭৩ °C-এ, যা বায়ু থার্মোমিটারের শূন্যের সঙ্গেও মিলে যায়। যদিও তখনও পরিমাপের পার্থক্য ছিল, যেমন: −২৭১.১ ডিগ্রি সেলসিয়াস (−৪৫৫.৯৮ ডিগ্রি ফারেনহাইট) থেকে −২৭৪.৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস (−৪৬২.১০ ডিগ্রি ফারেনহাইট), যা ২০শ শতকের গোড়ার দিকে পর্যবেক্ষণে ব্যবহৃত হতো।

পরম শূন্যের দিকে অগ্রযাত্রা

আরও দেখুন: নিম্ন-তাপমাত্রা প্রযুক্তির সময়রেখা

লাইডেনে অনেসের স্মৃতিফলক

পরম শূন্য সম্পর্কে তাত্ত্বিক বোঝাপড়া স্পষ্ট হওয়ার পর বিজ্ঞানীরা গবেষণাগারে এই তাপমাত্রা অর্জনের জন্য উদ্যোগী হন।

১৮৪৫ সালে মাইকেল ফ্যারাডে বেশিরভাগ পরিচিত গ্যাস তরল করতে সক্ষম হন এবং −১৩০ °C পর্যন্ত পৌঁছাতে পারেন। তখন তিনি বিশ্বাস করতেন যে অক্সিজেন, নাইট্রোজেন ও হাইড্রোজেন স্থায়ী গ্যাস এবং তরল করা যায় না।

১৮৭৩ সালে জোহানেস ভন ডার ওয়ালস দেখান যে এসব গ্যাস তরল করা সম্ভব, তবে খুব উচ্চ চাপ ও নিম্ন তাপমাত্রার প্রয়োজনে। ১৮৭৭ সালে লুই পল কাইয়ে (ফ্রান্স) ও রাওল পিক্টে (সুইজারল্যান্ড) প্রথম তরল বায়ু উৎপন্ন করেন −১৯৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস (−৩১৯.০ ডিগ্রি ফারেনহাইট) তাপমাত্রায়। ১৮৮৩ সালে পোলিশ বিজ্ঞানী জিগমুন্ত ভ্রোব্লেভস্কি ও কারল ওলশেভস্কি তরল অক্সিজেন উৎপন্ন করেন −২১৮ ডিগ্রি সেলসিয়াস (−৩৬০.৪ ডিগ্রি ফারেনহাইট) তাপমাত্রায়।

এরপর জেমস ডিউয়ার ও হেইকে ক্যামারলিংহ অনেস অবশিষ্ট গ্যাস হাইড্রোজেন ও হিলিয়াম তরল করার লক্ষ্যে গবেষণা চালান। ১৮৯৮ সালে ডিউয়ার তরল হাইড্রোজেন তৈরি করেন −২৫২ ডিগ্রি সেলসিয়াস (−৪২১.৬ ডিগ্রি ফারেনহাইট) তাপমাত্রায়। তবে অনেস ১৯০৮ সালে প্রথম তরল হিলিয়াম তৈরি করতে সক্ষম হন এবং তাপমাত্রা নামিয়ে আনেন −২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস (−৪৫২.২০ ডিগ্রি ফারেনহাইট)-এ। পরে চাপ কমিয়ে তিনি প্রায় ১.৫ কেলভিন তাপমাত্রা অর্জন করেন, যা সে সময় পর্যন্ত সবচেয়ে নিম্ন তাপমাত্রা ছিল। এই অসাধারণ অর্জনের জন্য তিনি ১৯১৩ সালে নোবেল পুরস্কার লাভ করেন।

পরবর্তীতে অনেস নিম্ন তাপমাত্রায় পদার্থের ধর্ম নিয়ে গবেষণা চালিয়ে সুপারকন্ডাক্টিভিটি ও সুপারফ্লুইড সম্পর্কে প্রথম পর্যবেক্ষণ করেন।

অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রা

বুমেরাং নেবিউলা থেকে নির্গত গ্যাসের দ্রুত বিস্তার এর তাপমাত্রা নামিয়ে এনেছে প্রায় ১ কেলভিনে—গবেষণাগারের বাইরে পর্যবেক্ষণকৃত সর্বনিম্ন প্রাকৃতিক তাপমাত্রা।

বর্তমানে মহাবিশ্বের গড় তাপমাত্রা প্রায় ২.৭৩ K (−২৭০.৪২ °সে; −৪৫৪.৭৬ °ফা), যা মহাজাগতিক মাইক্রোওয়েভ পটভূমি বিকিরণ পরিমাপের মাধ্যমে নির্ধারিত হয়েছে। মহাবিশ্বের প্রসারণ নিয়ে প্রচলিত মডেলসমূহ অনুযায়ী ভবিষ্যতে এই গড় তাপমাত্রা আরও কমে যাবে। এই তাপমাত্রা মহাশূন্যে শক্তির গড় ঘনত্ব হিসেবে গণনা করা হয়। তবে এটি গড় ইলেকট্রন তাপমাত্রা (মোট শক্তি / কণার সংখ্যা) নয়, যা সময়ের সঙ্গে বৃদ্ধি পেয়েছে।

যদিও পরম শূন্য তাপমাত্রা কখনোই পুরোপুরি অর্জনযোগ্য নয়, তবে নানা প্রযুক্তির মাধ্যমে এর কাছাকাছি তাপমাত্রা অর্জন সম্ভব। যেমন: বাষ্পীভবনীয় শীতলকরণ, ক্রায়োকুলার, ডাইলিউশন রেফ্রিজারেটর, এবং আণবিক অ্যাডিয়াবেটিক ডিম্যাগনেটাইজেশন। লেজার শীতলকরণ পদ্ধতি ব্যবহার করে এক বিলিয়ন ভাগেরও কম কেলভিন তাপমাত্রা অর্জন করা হয়েছে।

এই ধরনের অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় পদার্থে দেখা যায় অসাধারণ বৈশিষ্ট্য, যেমন সুপারকন্ডাক্টিভিটি, সুপারফ্লুইডিটি, এবং বোস–আইনস্টাইন সংকোচন। এসব ঘটনা অধ্যয়নের জন্য বিজ্ঞানীরা ক্রমাগত আরও নিম্ন তাপমাত্রা অর্জনের চেষ্টা চালিয়ে যাচ্ছেন।

• নভেম্বর ২০০০: ফিনল্যান্ডের হেলসিঙ্কি প্রযুক্তি বিশ্ববিদ্যালয়ের লো টেম্পারেচার ল্যাবে আণবিক স্পিন তাপমাত্রা ১০০ পিকোকেলভিন–এর নিচে নামানো হয়। তবে এটি ছিল শুধু একটি নির্দিষ্ট কোয়ান্টাম গুণের তাপমাত্রা, যেমন নিউক্লিয়ার স্পিন, পুরো সিস্টেমের গড় তাপমাত্রা নয়।

• ফেব্রুয়ারি ২০০৩: বুমেরাং নেবিউলা থেকে গ্যাস ৫,০০,০০০ কিমি/ঘ (৩,১০,০০০ মা/ঘ) গতিতে ১৫০০ বছর ধরে নির্গত হওয়ায় এর তাপমাত্রা প্রায় ১ কেলভিনে নেমে এসেছে—এটি এখনো পর্যন্ত প্রাকৃতিকভাবে পর্যবেক্ষণকৃত সর্বনিম্ন তাপমাত্রা।

• নভেম্বর ২০০৩: সৌরজগতের অন্যতম শীতল বস্তু 90377 সেডনা আবিষ্কৃত হয়, যার গড় পৃষ্ঠতল তাপমাত্রা প্রায় −২৪০ ডিগ্রি সেলসিয়াস (৩৩ kelvin; −৪০০ ডিগ্রি ফারেনহাইট), এর অত্যন্ত দূরবর্তী কক্ষপথ (৯০৩ খগোলীয় একক)র কারণে।

• মে ২০০৫: ইউরোপীয় মহাকাশ সংস্থা মহাকাশে ফেমটোকেলভিন স্তরের তাপমাত্রা অর্জনের গবেষণার প্রস্তাব দেয়।

• মে ২০০৬: হ্যানোভার বিশ্ববিদ্যালয়র কোয়ান্টাম অপটিকস ইনস্টিটিউট মহাকাশে ফেমটোকেলভিন পর্যায়ের গবেষণার সম্ভাবনা ব্যাখ্যা করে।

• জানুয়ারি ২০১৩: জার্মানির মিউনিখ বিশ্ববিদ্যালয়ের পদার্থবিদ উলরিখ শ্নাইডার ঘোষণা করেন যে, তাঁরা একটি গ্যাসে পরম শূন্যের নিচে ("নেতিবাচক তাপমাত্রা") তাপমাত্রা অর্জন করেছেন। এটি একটি অসমতাবস্থায় থাকা উচ্চ শক্তি অবস্থায় স্থাপন করে অর্জিত হয়, এবং তাপ বিকিরণের মাধ্যমে সিস্টেমটি সাম্যাবস্থার দিকে এগিয়ে যেতে থাকে।

• সেপ্টেম্বর ২০১৪: ইতালির গ্রান সাসো জাতীয় গবেষণাগারে CUORE প্রকল্পের বিজ্ঞানীরা এক কিউবিক মিটার আয়তনের একটি তামার পাত্রকে ১৫ দিন ধরে ০.০০৬ kelvin (−২৭৩.১৪৪ ডিগ্রি সেলসিয়াস; −৪৫৯.৬৫৯ ডিগ্রি ফারেনহাইট) তাপমাত্রায় রেখে দেন, যা ঐ আয়তনে সর্বনিম্ন তাপমাত্রার রেকর্ড।

• জুন ২০১৫: MIT-এর গবেষকরা সোডিয়াম-পটাশিয়াম অণুসমূহকে ৫০০ ন্যানোকেলভিন তাপমাত্রায় ঠান্ডা করেন। আরও ঠান্ডা করে একটি ব্যতিক্রমধর্মী পদার্থের অবস্থার দেখা পাওয়ার আশা করা হয়।

• ২০১৭: Cold Atom Laboratory নামক একটি পরীক্ষামূলক যন্ত্র তৈরি করা হয় আন্তর্জাতিক মহাকাশ স্টেশন (ISS)–এ প্রেরণের জন্য, যা ২০১৮ সালে প্রেরিত হয়। এখানে মাইক্রোগ্র্যাভিটি পরিবেশে তাপমাত্রা ১ পিকোকেলভিন পর্যন্ত নামানোর লক্ষ্য স্থির করা হয়, যা কোয়ান্টাম বলবিদ্যার অজানা বহু ঘটনার গবেষণায় সহায়ক হবে।

• ২০২১ সালে: রুবিডিয়াম বোস–আইনস্টাইন সংকোচন–এর মাধ্যমে পদার্থ-তরঙ্গ লেন্সিং ব্যবহার করে সর্বনিম্ন কার্যকর তাপমাত্রা রেকর্ড করা হয় ৩৮ পিকোকেলভিন।

আরো দেখুন

• তাপ
• প্লাংকের তাপমাত্রা
• পরম তাপমাত্রা
• ত্রৈধ বিন্দু
• বিশৃঙ্খলা-মাত্রা

আরো দেখুন

• Herbert B. Callen (১৯৬০)। "Chapter 10"। Thermodynamics। New York: John Wiley & Sons। আইএসবিএন 978-0-471-13035-2। ওসিএলসি 535083। 
• Herbert B. Callen (১৯৮৫)। Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (Second সংস্করণ)। New York: John Wiley & Sons। আইএসবিএন 978-0-471-86256-7। 
• E.A. Guggenheim (১৯৬৭)। Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists (Fifth সংস্করণ)। Amsterdam: North Holland Publishing। আইএসবিএন 978-0-444-86951-7। ওসিএলসি 324553। 
• George Stanley Rushbrooke (১৯৪৯)। Introduction to Statistical Mechanics। Oxford: Clarendon Press। ওসিএলসি 531928। 

বহিঃসংযোগ

• "Absolute zero": a two part NOVA episode originally aired January 2008
• "What is absolute zero?" Lansing State Journal