Hvað verður um hreyfingar efniseinda við alkul?

Svar

Upphafleg spurning var sem hér segir:

Stöðvast hreyfingar í sameindum (til dæmis hreyfingar rafeinda) ef efni er kælt niður í alkul? Ef ekki, hvað myndi þá koma fyrir efni ef þessar hreyfingar stöðvuðust alveg?

Rétt er að hafa í huga að alkuli er ekki hægt að ná í tilraunum, en hægt er að nálgast það betur og betur. Samkvæmt sígildri eðlisfræði um safn einda, atóma eða sameinda, þar sem byggt er á hreyfilögmálum Newtons, er meðalhreyfiorka eindanna í réttu hlutfalli við hitastigið á kelvínkvarða, það er mælt frá alkuli þar sem hitinn er 0 kelvín. Ef hreyfiorka þessara safna er skoðuð við herbergishita lítur út fyrir að hún muni hverfa við alkul. Snemma á öldinni komust menn að því að sígilda eðlisfræðin segir ekki rétt fyrir um eiginleika eindasafna við lágt hitastig. Tilraunir sýndu að hreyfiorka eindanna og varmarýmd safnanna (það er hve mikinn varma þarf til að hita safnið upp um til dæmis eina gráðu) er önnur en búist var við. Þessi staðreynd var ein af meginástæðum þess að snemma á tuttugustu öldinni kom fram svokölluð skammtafræði sem lýst getur hegðun alls efnis í kringum okkur í samræmi við tilraunir enn í dag.

Samkvæmt skammtafræðinni er ekki hægt að lýsa til að mynda hreyfingu rafeindar í atómi á annan hátt en með líkindadreifingu. Ekki er hægt að segja til dæmis að rafeindin sé á hringhreyfingu, heldur aðeins hversu miklar líkur sé á að finna hana á tilteknu svæði í rúminu. Ennfremur segir skammtafræðin með svokölluðu "óvissulögmáli Heisenbergs" að því betur sem við getum mælt staðsetningu eindar því minna vitum við um hraða hennar og stefnu, og öfugt: Því betur sem hraðinn er þekktur því minna vitum við um hvar eindin er! Þegar þetta er skoðað nákvæmar kemur í ljós að rafeind í atómi getur aldrei haft hverfandi orku. Hver bundin eind á sér svo kallað grunnástand. Lægri orku getur hún ekki haft! Líkindadreifingin fyrir staðsetningu rafeindar í grunnástandi hefur endanlegt gildi á svæði sem er miklu stærri en kjarni atómsins. Í stað orku grunnástandsins er oft talað um "núllpunktsorku" (e. Zero Point Energy).

Af þessu sést að "hreyfingar" einda stöðvast EKKI við alkul. Líkindadreifingar um stað og hraða breytast til dæmis ekki í það horf að hraðinn verði eindregið 0 og samtímis verði staðurinn fastur og ákveðinn. Við getum ekki sagt hvað myndi gerast ef svo væri ekki. Það eru einungis til eindir í veröldinni sem lýsa verður með skammtafræði. Til dæmis eru allar rafeindir nákvæmlega eins! Það er ekki á nokkurn hátt hægt að þekkja þær í sundur. Okkar sígilda reynsla og innsæi kemur að engum notum þegar lýsa verður eindum með skammtafræðinni. Eðli náttúrunnar er einfaldlega slíkt að ekki er hægt að lýsa hreyfingum einda í atómi á nákvæmari hátt en með líkindadreifingu!