Sıcaklığın bir üst sınırı var mıdır? Yıldızların merkezinde sıcaklık milyonlarca dereceye ulaşabilir ve bilinen fizik yasaları, sıcaklığın bundan çok daha yüksek değerlere çıkmasını engellemez. Peki soğuğun bir sınırı var mıdır? Bu sorunun yanıtı, şaşırtıcı biçimde evettir. Fizik yasalarına göre ulaşılabilecek en düşük sıcaklık, eksi iki yüz yetmiş üç derece civarındadır. Bu sıcaklığa mutlak sıfır adı verilir. Mutlak sıfırın altında bir sıcaklık, en azından alışıldık anlamıyla, mümkün değildir.

Mutlak sıfırın neden bir sınır olduğunu anlamak için sıcaklığın ne olduğunu düşünmek gerekir. Bir maddenin sıcaklığı, onu oluşturan atomların ve moleküllerin hareketiyle ilişkilidir. Sıcak bir gazda moleküller hızla hareket eder ve birbirine sık sık çarpar. Madde soğudukça bu hareketler yavaşlar. Mutlak sıfır, kabaca atomların ve moleküllerin hareketinin mümkün olan en düşük düzeye indiği sıcaklık olarak düşünülebilir. Hareket daha fazla azaltılamayacağı için madde daha fazla soğutulamaz.

On dokuzuncu yüzyılda gazların davranışını inceleyen bilim insanları, mutlak sıfırın varlığına dair ilk ipuçlarını buldu. Bir gaz soğutulduğunda hacminin düzenli biçimde azaldığı gözlenmişti. Bu düzenli azalma grafik üzerinde geriye doğru uzatıldığında, gazın hacminin eksi iki yüz yetmiş üç derece civarında sıfıra ineceği hesaplanıyordu. Elbette gerçek gazlar bu sıcaklığa ulaşmadan çok önce sıvılaşır; ancak bu hesaplama, sıcaklığın doğal bir alt sınırı olduğunu düşündürüyordu.

İskoç fizikçi William Thomson, sonradan aldığı unvanla Lord Kelvin, bu düşünceden yola çıkarak mutlak sıfırdan başlayan yeni bir sıcaklık ölçeği önerdi. Bugün bilim insanlarının yaygın olarak kullandığı bu ölçek, onun onuruna Kelvin ölçeği olarak adlandırılır. Kelvin ölçeğinde mutlak sıfır, sıfır kelvin olarak tanımlanır. Bu ölçekte negatif sıcaklık değerleri bulunmaz. Bir kelvinlik değişim, bir santigrat derecelik değişime eşittir. Suyun donma noktası yaklaşık iki yüz yetmiş üç kelvine karşılık gelir.

Mutlak sıfıra yaklaşmak, on dokuzuncu yüzyılın sonlarından itibaren fizikçiler arasında bir tür yarışa dönüştü. Bilim insanları gazları sıkıştırıp genleştirerek giderek daha düşük sıcaklıklara ulaşmayı ve havanın bileşenlerini birer birer sıvılaştırmayı başardı. Oksijen ve azot sıvılaştırıldı. En zorlu hedef olan helyum ise 1908 yılında Hollandalı fizikçi Kamerlingh Onnes tarafından sıvılaştırıldı. Bu başarı, mutlak sıfırın yalnızca birkaç derece üzerindeki sıcaklıklarda deney yapılmasını mümkün kıldı ve süperiletkenliğin keşfine yol açtı.

Ancak termodinamiğin üçüncü yasası olarak bilinen ilkeye göre mutlak sıfıra tam olarak ulaşmak mümkün değildir. Bir maddeyi soğutmak için ondan ısı almak gerekir. Madde mutlak sıfıra yaklaştıkça, ondan ısı almak giderek zorlaşır ve her adımda sıcaklığı düşürmek daha fazla çaba gerektirir. Bu nedenle mutlak sıfıra ne kadar yaklaşılırsa yaklaşılsın, son adım hiçbir zaman atılamaz. Bu durum, bir yolun yarısını, sonra kalan yolun yarısını, sonra onun da yarısını yürüyerek hiçbir zaman hedefe tam olarak ulaşamamaya benzetilebilir.

Buna karşın bilim insanları, mutlak sıfıra inanılmaz derecede yaklaşmayı başarmıştır. Yirminci yüzyılın sonlarında geliştirilen lazer soğutma yöntemleri, bu alanda devrim yarattı. Bu yöntemde, atomlara özenle ayarlanmış lazer ışınları gönderilir. Atomlar, kendilerine çarpan fotonlar nedeniyle yavaşlar ve soğur. Bu teknikle atomlar, mutlak sıfırın milyonda biri derece düzeyine kadar soğutulabilmektedir. Bu yöntemleri geliştiren bilim insanları Nobel ödülüne layık görülmüştür.

Bu kadar düşük sıcaklıklarda madde, tamamen yeni ve tuhaf davranışlar sergiler. 1995 yılında araştırmacılar, bir grup atomu mutlak sıfıra son derece yakın bir sıcaklığa kadar soğutarak, onlarca yıl önce Einstein ve Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose tarafından öngörülen bir madde hâlini ilk kez elde etti. Bose Einstein yoğuşması adı verilen bu hâlde, binlerce atom tek bir dev atom gibi davranır ve kuantum etkileri doğrudan gözlemlenebilir hâle gelir.

Sıvı helyum da mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda şaşırtıcı özellikler gösterir. Belirli bir sıcaklığın altında helyum, hiçbir sürtünme göstermeden akan bir süperakışkana dönüşür. Süperakışkan helyum, içinde bulunduğu kabın duvarlarına tırmanarak kabın dışına taşabilir ve çok ince gözeneklerden kolayca geçebilir. Bu olaylar, kuantum fiziğinin atomların dünyasıyla sınırlı kalmadığını, gözle görülebilir ölçeklerde de kendini gösterebildiğini kanıtlar.

İlginç biçimde, evrenin kendisi de oldukça soğuktur. Uzayın derinliklerindeki ortalama sıcaklık, büyük patlamadan kalan ışınım nedeniyle mutlak sıfırın yaklaşık üç derece üzerindedir. Ancak laboratuvarlarda elde edilen sıcaklıklar, bilinen evrendeki en soğuk doğal ortamlardan bile çok daha düşüktür. Başka bir deyişle evrenin en soğuk noktalarından bazıları, Dünya'daki fizik laboratuvarlarında bulunmaktadır.

Mutlak sıfır, ulaşılamayan ama sürekli yaklaşılan bir sınır olarak bilim insanlarına maddenin en temel özelliklerini keşfetme fırsatı sunar. Soğuğun sınırına doğru yapılan bu yolculuk, kuantum dünyasının kapılarını aralamaya devam etmektedir.