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1. 개요
Absolute Zero · 絶對零度절대 온도를 나타내는 켈빈([math(rm K)]) 단위계에서 최저점의 극한인 [math(\rm0\,K)]을 가리키는 말. 섭씨로는 [math(\rm-273.15\,\degree\!C)][1]를 말한다. 섭씨는 원래 물의 어는점과 끓는점을 100등분했기 때문에 정확히 -273.15도일 수는 없었지만, 2007년에 섭씨의 기준을 개정하며 절대 영도가 정확히 -273.15도가 되도록 재정의되었다.
2. 물리학에서 말하는 절대 영도
열역학적인 계에서 열적 엔트로피(Thermal Entropy)와 엔탈피가 최저점인 상태를 의미한다. 고전적인 열역학에서 [math(\rm0\,K)]이 되면 내부 에너지가 [math(\rm0\,J)]이 되어 분자의 운동이 완전히 정지한다. 고전적인 열기관인 카르노 기관으로 절대 영도까지 냉각을 하기 위해선 카르노 순환을 무한히 반복해야 하며 이를 수행하는 데에는 무한한 시간이 걸리므로 절대 영도는 구현할 수 없다.양자역학적으로 절대 영도는 밀도행렬의 순수상태(pure state)에 해당하며 순수상태의 폰 노이만 엔트로피는 0이다. 양자역학적 순수상태에 대해서도 입자의 위치와 운동량에 관한 불확정성 원리는 여전히 성립한다. 불확정성 원리는 위치와 운동량 연산자의 비가환성 때문에 성립하는 것이므로, 어떠한 양자상태도 불확정성 원리를 거스르지 못한다.
우리 우주의 모든 물질은 바닥 상태에서 극히 작은 영점 에너지(zero point energy)[2]를 가지며 그 크기는 [math(\dfrac12\hbar\omega)](단, [math(\hbar)]는 디랙 상수)이다. 양자역학적으로 물질은 2차 양자화를 통해 표현되며 이를 통해 영점에너지의 존재를 유도할 수 있다. 연구에 따르면, 진공 요동에 의해 생성되는 진공에너지가 영점에너지의 양과 거의 일치한다고 한다. 관련기사
비록 절대 영도에는 도달할 수 없지만, 희석 냉동기(dilution refrigerator), 핵단열소자법(nuclear adiabatic demangetization) 등을 이용하여 그 한계에 도전하는 실험은 꾸준히 이루어지고 있다. 누가 얼마나 더 낮은 온도에 도달했는지 겨루는 게 목적이라기보단, 극저온에서의 물성을 실험적으로 연구하기 위한 선구 단계라는 데에 의의가 있다. 극저온 상태의 물질들은 초전도체, 초유동체, 보스-아인슈타인 응집과 같이 특이한 물성을 보이는 경우가 많기 때문에, 보다 용이하게 극저온 환경을 만드는 조건을 찾아내는 것 자체만으로도 의미가 있다. 실험적으로 도달한 최저 온도는 2021년에 보스-아인슈타인 응집이 일어난 루비듐의 물질파 렌즈를 이용한 것으로서, [math(38{\rm\,pK} = 3.8\times10^{-11}{\rm\,K})]이다.#
3. 음의 절대 온도?
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.
준위의 수가 실질적으로 유한하게 된 계(예: 극저온으로 냉각된 고체 LiF 속의 F핵)에서는 열역학 제3법칙을 우회하여 음수의 온도([math(T<\rm0\,K)])를 나타내게 할 수 있다. 이는 우회라기보다는 엔트로피의 정의상 당연한 일일 수가 있는데, 이런 현상을 음의 절대 온도(Negative Absolute Temperature; NAT)라고 한다. 결정적으로 이게 절대 영도보다 차가운 상태냐 하면 절대 아니며, 오히려 매우 뜨거운 상태를 나타낸다.
이론적으로 설명하면 다음과 같다. 일반적인 계는 엔트로피에 상한선이 없기 때문에 '최대 엔트로피'라는 개념이 존재하지 않지만, 특수한 핵스핀 고립계에서는 계가 취할 수 있는 에너지 준위의 최댓값이 존재하기 때문에 엔트로피에 상한선이 존재한다. 이를테면 수많은 자기 모멘트의 업/다운을 지닌 입자들로 구성된 계를 생각해 보자. 여기에 위쪽 방향으로 자기장을 걸어 주면, [math(T\to\rm+0\,K)]일 때 모든 입자가 위쪽 방향으로 정렬된다. [math(T)]가 높아질수록 입자의 요동이 커지기 때문에 아래쪽 모멘트를 지닌 입자들의 비율이 점점 커지고, 그것이 [math(\dfrac12)]인 경우가(접근 가능 상태 수가 최다이므로) [math(T = +\infty)]가 된다.
그런데 이 상태에서 에너지를 과공급하게 되면, 아래 방향 모멘트를 지닌 입자의 비율이 더 늘어날 수가 있다. 이때는 점점 접근 가능 상태 수가 줄어들기 때문에 [math(\Delta S<\rm0\,J/K)]이다. 흔히들 엔트로피의 정의라고 알고 있는 [math({\rm d}S = \dfrac{\delta Q_{\rm rev}}T)]는 사실 엔트로피가 아니라 온도의 정의, 즉 [math(T = \dfrac{\delta Q_{\rm rev}}{{\rm d}S})][3]이고, 따라서 '에너지 증가, 엔트로피 감소'라는 예제의 상황에서 이때의 온도는 음수가 된다. 그리고 실제로 모든 입자들은 마치 온도가 음수가 된 듯한 계처럼 행동한다. 즉, 입자들은 낮은 온도에서 에너지가 높은 쪽으로 집중되며 높은 온도에서 확산되는 경향을 띤다. 그리고 모든 입자가 아래 방향 모멘트로 정렬되면, 이때가 [math(T\to-0\rm\,K)]이다.
'온도계'처럼 한 줄로 표시한다면 다음과 같다.
| [math(T/{\rm K}: \rm +0 \rightarrow \pm \infty \rightarrow -0)] |
| [math(\beta\,{\rm J}: +\infty \rightarrow 0 \rightarrow -\infty)] |
결과적으로 음의 절대 온도는 오히려 그 어떤 양의 절대 온도보다도 훨씬 뜨거운, 아주 엄청나게 높은 온도가 된다. 또한 동일한 논문에서 실험적으로 도달한 최저(라 쓰고 최고라 읽는) 온도는 [math(\rm-750\,pK = -7.5\times10^{-10}\,K)]이다.
4. 대중매체
[1] 샤를의 법칙에 의해 기체의 부피가 이론상으로 [math(\rm0\,m^3)]이 되며 열역학 법칙에 따라 엔트로피 [math(S)]와 엔탈피 [math(H)]가 모두 최저점이 되고 이론상 내부 에너지가 [math(\rm0\,J)]이 된다. 후술하겠지만 이 이상적인 조건 모두 [math(\bf0\,K)]을 포함하여 현실에서는 구현할 수 없다.[2] 양자역학계에서 가질 수 있는 가장 작은 에너지 상태며, 진공(vacuum) 에너지라고 하기도 한다.[3] 열역학적으로 온도보다 엔트로피가 더 본질적인 물리량이며 엔트로피를 통해 온도가 정의되는 것이다.[4] [math(\beta=\dfrac1{k_{\rm B}T})]라는 정의에서 알 수 있듯이 이름은 역'온도'지만 볼츠만 상수 [math(k_{rm B})]로 나눠져있기 때문에 결과적으로 에너지의 역수 차원, 즉 단위가 [math(rm J^{-1})]이다.