‫מעלת הקלווין המושלמת / לי בילינגס‬

המירוץ אחר סולם הטמפרטורה המוחלט מתחמם והולך

מד-הטמפרטורה המדויק ביותר ביקום הידוע לנו אינו נראה כלל כמו מד-טמפרטורה. זהו מכל נחושת שגודלו כגודל אבטיח, מלא בגז ארגון טהור ביותר ומשובץ במיקרופונים ובאנטנות לקליטת גלי-מיקרו ולשידורם. ואולם, מטרתו של המתקן, המצוי במתחם המעבדה הלאומית הבריטית לפיזיקה (NPL) בטדינגטון שבאנגליה, אינו רק מדידת טמפרטורה. למעשה, המתקן הזה, ודומים לו, עשוי לאפשר למדענים לערוך מחדש את מושג הטמפרטורה ולשכתב אותו במונחים של פיזיקה בסיסית.

הכוונה היא לקשר בין טמפרטורה לאנרגיה באמצעות קבוע פיזיקלי. כיום, יחידת הטמפרטורה הבין-לאומית התקנית, מעלת קלווין, מבוססת על תכונות המים. אבל מדענים מעוניינים ליישר קו עם יחידות מידה אחרות, ששוחררו כבר מגחמותיו של העולם המאקרוסקופי. למשל, יחידת הזמן התקנית, השנייה, מוגדרת כיום באמצעות תנודות של אטום צזיום ויחידת המרחק, המֶטֶר, קשורה למהירות האור בריק. “זה טיפשי לגמרי שמעלת קלווין אינה מקשרת באופן ישיר בין טמפרטורה לאנרגיה,” אומר מייקל דה-פּוֹדֶסְטָה, העומד בראש צוות המחקר.

המתקן ב-NPL מודד את קבוע בּוֹלְצְמַן, המקשר בין שינויים באנרגיה לשינויים בטמפרטורה. הצוות של דה-פּוֹדֶסְטָה, והצוותים המתחרים בו, מקווים למדוד את הקבוע הזה בדיוק גדול דיו כדי לקשר מעלת קלווין אחת למספר מסוים של ג’אולים של אנרגיה.

מד-הטמפרטורה החדש, או בשמו הטכני “המהוד האקוסטי”, מצלצל כפעמון כשהפיזיקאים מזינים תדירויות קול מסוימות במיקרופונים שלו. באמצעות התהודה הקולית הזאת, החוקרים יכולים לקבוע את מהירות הקול בגז הממלא את הכלי ומכאן את מהירות אטומי הארגון, כלומר את האנרגיה הקינטית שלהם. ביולי 2013 דיווח הצוות של דה- פּוֹדֶסְטָה את תוצאות המדידה המדויקת ביותר עד כה של קבוע בולצמן בכתב העת מֶטְרוֹלוֹגיה.

הגדרת הטמפרטורה כיום מתבססת על שינויים במצבי הצבירה של מים. אחת מנקודות המפתח בהגדרה היא “הנקודה המשולשת של המים”, שהטמפרטורה שלה היא 273.16 מעלות קלווין, ובה מים מוצקים (קרח), נוזליים וגזיים מתקיימים זה בצד זה. ב-1954 הגדיר הסכם בין-לאומי את מעלת הקלווין כ-1 חלקי 273.16 של ההפרש בין האפס המוחלט ובין הנקודה המשולשת של מים.

ההגדרה של 1954 פועלת בדרך כלל היטב, אבל היא מתחילה להשתבש בטמפרטורות קיצוניות, כמו בטמפרטורות השוררות בתוך כוכבים. “הדבר נובע מכך שבני האדם התחילו למדוד טמפרטורות הרבה לפני שהבינו מה היא בכלל טמפרטורה, לפני שהם ידעו שטמפרטורה היא בסך הכול אטומים ומולקולות הטסים במהירות אנה ואנה,” אומר דה-פודסטה. “כעת, כשאנו מבינים טוב יותר, ויש לנו הזדמנות לתקן, עלינו לעשות זאת.”

המאמר פורסם באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל