Was ist die niedrigstmögliche Temperatur im Universum? Die Physik hat die Antwort

Das Universum birgt einige der extremsten Umgebungen, die der Wissenschaft bekannt sind, darunter Regionen mit extrem niedrigen Temperaturen. In riesigen intergalaktischen Hohlräumen, weit entfernt von Sternen und anderen Strahlungsquellen, ist die verfügbare Energiemenge sehr gering. Da die Temperatur mit der Energie der Teilchen zusammenhängt, kann sie an diesen Orten Werte erreichen, die nahe an den von der Physik zugelassenen Mindestgrenzen liegen.

Auf kosmologischer Ebene gibt es eine mit dem Universum verbundene Durchschnittstemperatur, die als kosmische Mikrowellenhintergrundtemperatur bezeichnet wird und derzeit bei etwa 2,7 Kelvin, also ungefähr -270,45 °C, liegt. Das bedeutet, dass selbst in scheinbar leeren Regionen noch eine geringe Menge an thermischer Energie vorhanden ist. Interessanterweise lassen sich in Laboren auf der Erde durch atomare Kühlverfahren sogar noch niedrigere Temperaturen erzeugen.

Die untere Temperaturgrenze wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet und entspricht 0 Kelvin bzw. -273,15 °C. Nach den Gesetzen der Thermodynamik ist dies die niedrigste physikalisch mögliche Temperatur. Wenn sich ein System dieser Grenze nähert, nimmt die verfügbare Wärmeenergie drastisch ab und die mikroskopische Bewegung der Teilchen wird minimal. Nach der Quantenmechanik kommen Teilchen jedoch niemals vollständig zum Stillstand, und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass das Erreichen des absoluten Nullpunkts unmöglich ist.

Der Begriff der Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Größe, die den mikroskopischen Energiezustand eines Systems misst und mit der durchschnittlichen kinetischen Energie seiner Teilchen zusammenhängt. Je stärker die Bewegung der Atome, Moleküle oder anderer Teilchen ist, desto höher ist die gemessene Temperatur. Bei Gasen beispielsweise hängt diese Bewegung mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Teilchen zusammen, während sie bei Feststoffen mit Schwingungen innerhalb des Kristallgitters zusammenhängt.

Obwohl die Begriffe im Alltagssprachgebrauch oft synonym verwendet werden, stellen Temperatur und Wärme unterschiedliche physikalische Konzepte dar. Die Temperatur beschreibt eine Eigenschaft eines Systems, während sich Wärme auf die Energie bezieht, die aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen Körpern übertragen wird. Wenn zwei Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen miteinander in Kontakt kommen, fließt Energie vom wärmeren zum kühleren Objekt, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Dieser Energiefluss wird in der Physik als Wärme definiert.

Absoluter Nullpunkt

Der absolute Nullpunkt ist eine Temperatur, die als 0 Kelvin definiert ist und auf der Celsius-Skala -273,15 °C entspricht. Wenn sich ein System abkühlt, nimmt seine thermische Energie ab und seine Temperatur nähert sich dieser extremen Grenze. Heute dient der absolute Nullpunkt als wichtiger Bezugspunkt in der Quantenmechanikforschung. Er stellt einen Zustand dar, der weit entfernt ist von den Temperaturen, die im Alltag und in den meisten natürlichen Umgebungen im gesamten Universum anzutreffen sind.

Obwohl der absolute Nullpunkt ein fest etabliertes theoretisches Konzept ist, wurde diese exakte Temperatur bisher in keinem Experiment erreicht. Einige Labore sind ihr mithilfe von Techniken wie Laserkühlung und Magnetfallen bemerkenswert nahe gekommen. In bestimmten Experimenten haben Wissenschaftler Temperaturen erzeugt, die nur Milliardstel oder sogar Billiardstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt lagen.

Warum ist das die Obergrenze?

Der absolute Nullpunkt gilt als die niedrigste Temperatur, die physikalisch möglich ist, da die Temperatur mit der thermischen Energie der Teilchen innerhalb eines Systems zusammenhängt. Wenn sich ein Material abkühlt, nimmt seine innere Energie ab und die mikroskopischen Bewegungen werden immer geringer. Es gibt jedoch einen Punkt, an dem dem System keine thermische Energie mehr entzogen werden kann, ohne gegen die Grundprinzipien der Physik zu verstoßen. Dieser Zustand entspricht 0 Kelvin oder -273,15 °C.

Der absolute Nullpunkt bedeutet nicht das vollständige Fehlen von Materie oder Energie. Er entspricht dem niedrigsten Energiezustand, den ein physikalisches System erreichen kann. Selbst wenn ein System den absoluten Nullpunkt exakt erreichen könnte, wären seine Teilchen nicht völlig bewegungslos. Die Quantenmechanik sagt die Existenz der sogenannten Nullpunktenergie voraus, einer Restenergie, die selbst im Grundzustand eines Systems noch vorhanden ist.

Die niedrigste jemals im Universum gemessene Temperatur

Die niedrigste im Universum beobachtete natürliche Temperatur wurde im Boomerang-Nebel festgestellt, der etwa 5.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Dieser Nebel weist Temperaturen nahe 1 Kelvin auf und ist damit sogar noch kälter als die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung. Dieses Phänomen tritt auf, weil sich der Nebel rasch ausdehnt, wodurch das Gas durch adiabatische Abkühlung Energie verliert. Der Boomerang-Nebel gilt als die kälteste bekannte natürliche Umgebung im Universum.

Auf der Erde wurde die niedrigste natürlich gemessene Temperatur in der Antarktis verzeichnet, der kältesten Region auf der Erdoberfläche. Der offizielle Rekord wurde im Juli 1983 an der Vostok-Station gemessen, als die Lufttemperatur -89,2 °C erreichte. Später wurden durch Satellitenanalysen Regionen in der Antarktis identifiziert, in denen das Oberflächeneis Temperaturen von fast -98 °C erreichte. Beide Werte liegen weit über dem absoluten Nullpunkt, der bei -273,15 °C liegt.