Physik

Wie misst man Temperaturen am absoluten Nullpunkt?

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Gábor Paál
Gábor Paál (Foto: SWR, Oliver Reuther)

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Der absolute Nullpunkt liegt bei -273,15° C. Das weiß man aber nicht deshalb, weil man den mal irgendwann mit einem Thermometer gemessen hätte, sondern man hat den absoluten Nullpunkt zunächst nur berechnet. Im 17. Jahrhundert beobachtete man, dass sich ein Gas, wenn man es erwärmt, ausdehnt. Wenn man es abkühlt, zieht es sich zusammen. Das folgt einem ziemlich einfachen Gesetz: je niedriger die Temperatur, desto kleiner das Volumen.

Als man diesem Zusammenhang auf die Schliche kam, rechnete man aus: Wie kalt müsste das Gas denn sein, damit das Volumen auf Null zusammenschrumpft? So kam man auf einen Wert von -240°C – wohlgemerkt ohne dass man diese Temperatur auch nur annähernd irgendwo „gemessen“ hätte. Das war für das Jahr 1699 schon eine ganz gute Schätzung.

Bald war aber klar, dass die Rechnung so nicht gehen kann. Denn man kann sich zwar vorstellen, dass das Volumen eines Gases schrumpft – aber dass es auf Null geht, also gar nicht mehr vorhanden ist, ist erstens unlogisch und zweitens realitätsfremd. Denn jedes Gas wird beim Abkühlen ab einer bestimmten Temperatur etwas ganz anderes machen, nämlich seinen Aggregatzustand ändern – sich also verflüssigen oder sogar gefrieren.

Temperatur: Bewegung von Teilchen

Man hat den absoluten Nullpunkt dann auf eine andere Art ermittelt. Temperatur ist physikalisch ein Ausdruck für die Bewegung von Teilchen – beim Gas die Bewegung der einzelnen Moleküle, in einem Festkörper das Zappeln der Atome. Alle Atome haben eine Eigenbewegung, und auch diese Eigenbewegung wird immer langsamer, je kälter es wird.

So sagte man: Der absolute Nullpunkt wäre dann erreicht, wenn die Eigenbewegung aufhört, wenn sich die Atome nicht mehr bewegen, also alles total eingefroren ist. Da hat man erst mal nur rechnerisch den Wert -273,15° Celsius ermittelt. Parallel entwickelte man Verfahren, um immer kältere Temperaturen zu erreichen. Man hat Gase verflüssigt, sogar Wasserstoff und Helium, was wirklich eine große Leistung war: Man muss Helium auf 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt – also -269° Celsius runterkühlen, damit es sich verflüssigt. Das ist gelungen. Man kann heute im Labor Temperaturen von Bruchteilen von Graden über dem absoluten Nullpunkt erzeugen. Aber man weiß auch, man kann diesem Nullpunkt zwar beliebig nahe kommen, aber erreichen kann man ihn nicht.

Mehr Messgenauigkeit durch Platindraht und radioaktives Kobalt

Wenn man diese Temperaturen erzeugt – woher weiß man, wie kalt das Helium ist? Wie misst man das? Das geht natürlich nicht mit der Art von Thermometern, die wir kennen. Die beruhen darauf, dass sich eine Flüssigkeit unter Temperatureinfluss ausdehnt bzw. zusammenzieht. Bei so tiefen Temperaturen ist aber Quecksilber, oder was man sonst nehmen kann, längst gefroren. Tiefere Temperaturen kann man bestimmen, indem man einen Platindraht dazu tut und den elektrischen Widerstand misst. Auch das ist ein physikalisches Gesetz: Je kälter der Draht, desto schwächer der Widerstand. Aber auch diese Methode hat Grenzen.

Wenn man dem absoluten Nullpunkt schon ganz nah ist, etwa bei 0,1 Grad über dem Nullpunkt, dann nutzt man spezielle Kristalle, die radioaktives Kobalt enthalten. Das Kobalt zerfällt mit einer bestimmten Rate zu Nickel, dabei entsteht Gammastrahlung. Und je weniger Gammastrahlung man misst, desto näher ist man dem absoluten Nullpunkt gekommen.

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