절대영도
1. 개요
Absolute Zero · 絶對零度
절대온도를 나타내는 켈빈 단위계(K)에서 최저점인 0 K를 가리키는 말. 섭씨로는 -273.15도[1] 를 말한다.
2. 물리학에서 말하는 절대 영도
열역학적인 계에서 열적 엔트로피(Thermal Entropy)가 0인 상태를 의미한다. 쉽게 말하면 분자의 운동이 완전히 정지하는 온도다. 0K 상태는 열역학 제3법칙에 따라 바닥 상태가 되며, 이 상태에서도 불확정성 원리에 따라 바닥 상태에서의 영점 에너지(zero point energy)[2]를 가진다. 최근 연구에 따르면, 진공 요동(vacuum fluctuations)에 의해 생성되는 진공에너지가 영점에너지의 양과 거의 일치한다고 한다. 관련기사
SI 단위에서는 볼츠만 상수 $$ k_B = \frac{ R }{ N_0 } = 1.380 649 \times 10^{ -23 }\ \mathrm{J \cdot K}^{ -1 } $$로 정의된다.
우주 멸망 이론 중 가장 유력한 빅 프리즈에서 마지막 블랙홀이 증발하고 그곳에서 방출된 양성자마저 모두 붕괴되어 사라진다면 우주의 모든 구역은 절대영도의 온도로 균일하게 맞추어지게 되며, 엔트로피리학에서 말하는 열역학적인 계에서 열적 엔트로피(Thermal Entropy)가 완벽히 0인 상태가 된다. 이쯤되면 더 이상 시간마저도 의미가 없을 정도로 영원히 아무 일도 일어나지 않게 된다.
3. 음의 절대온도?
결론부터 말하면 온도의 정의상 가능하다. #
켈빈 단위로 표기한 온도 자체는 음수로 나타나지만, 일반적으로 생각하는 온도의 개념과는 다르게 보아야 하며, 오히려 절대 영도보다 높은 에너지 상태를 가지는 온도를 말한다.
2000년 실험적으로 도달한 최저의 온도는 280 pK(2.8x10-10 K)이며[3] 준위의 수가 실질적으로 유한하게 된 계(예: 극저온으로 냉각된 고체 LiF 속의 F핵)에서는 열역학 3법칙을 우회하여 음수의 온도(T<0)를 가지게 할 수 있다. 단, 이는 절대 영도보다 낮은 온도는 아니며, 오히려 양의 온도를 가진 온도보다 높은 에너지 상태를 가진다. 이는 우회라기보다는 엔트로피의 정의상 당연한 일일 수가 있는데, 이런 현상을 음의 절대온도(Negative Absolute Temperature, 줄여서 NAT)라고 한다.
이론적으로 설명하면 다음과 같다. 수많은 자기 모멘트 업/다운을 지닌 입자들로 구성된 계를 생각해 보자. 여기 위쪽 방향으로 자기장을 걸어 주면, T=+0일 때 모든 입자가 위쪽 방향으로 정렬된다. T가 높아질수록 입자의 요동이 커지기 때문에 아래쪽 모멘트를 지닌 입자들의 비율이 점점 커지고, 그것이 1/2인 경우가(접근 가능 상태 수가 최다이므로) T = ∞가 된다.
그런데 이 상태를 넘어서, 아래 방향 모멘트를 지닌 입자의 비율이 여기서 더 늘어난다고 여겨 보자. 이때는 점점 접근 가능 상태 수가 줄어들기 때문에 ΔS는 음수다. 흔히들 엔트로피의 정의라고 알고 있는 dS = dQ/T는 사실 엔트로피가 아니라 '''온도의 정의'''인데,(열역학적으로 온도는 엔트로피보다 하위로 정의되는 양이다.) 따라서 '에너지 증가, 엔트로피 감소'라는 예제의 상황에서 이때의 온도는 음수가 된다. 그리고 모든 입자가 아래 방향 모멘트로 정렬된다면, 이때가 T=-0이다.
'온도계'처럼 한 줄로 표시한다면 다음과 같다.
따라서 음의 온도는 보통의 온도[4]보다도 오히려 훨씬 뜨거운, '''아주 엄청나게 높은 온도'''가 된다. 또한 동일 논문에서 실험적으로 도달한 최저(라 쓰고 최고라 읽는) 온도는 -750 pK(-7.5 x 10-10 K)이다.
4. 대중매체
[1] 샤를의 법칙에 의해 기체의 부피가 '''이론상으로''' 0이 된다.[2] 양자역학계에서 가질 수 있는 가장 작은 에너지 상태며, 진공(vacuum) 에너지라고 하기도 한다. ((1/2)h만큼의 에너지를 가지며, h는 플랑크 상수다.[3] Wisniak, Negative absolute temperatures a novelty, J.Chem.Edu. 2000[4] 양의 온도, 무한대 온도를 뜻함