Jakie największe i najmniejsze ciśnienie możemy wytworzyć?

Pytanie

Pyta Oskar

Przy obecnym stanie techniki jakie i w jaki sposób możemy wytworzyć największe ciśnienie? Czy ciśnienie ma swoje „zero absolutne”?

Odpowiedź

Odpowiada Miłosz Dąbrowski

Zacznijmy od szybkiego omówienia definicji ciśnienia. Ciśnienie nie jest własnością samej materii, jak np. temperatura, ale określa, jak materia wpływa na swoje otoczenie. Jeśli chcemy zmierzyć ciśnienie jakiegoś gazu w butli, to mierzymy tak naprawdę jaką siłą gaz działa na ścianki pojemnika i określamy je w paskalach, czyli newtonach na metr – czyli ciśnienie to siła na jednostkę powierzchni. Kiedy mówimy więc o wytwarzaniu ciśnienia, to mamy na myśli przykładanie siły do powierzchni (żeby osiągnąć jak największe ciśnienie, musimy wywierać jak największą siłę na jak najmniejszą powierzchnię).

Przy użyciu obecnej technologii potrafimy wytwarzać ciśnienia tak duże, że nie mogą im się oprzeć nawet diamenty. Zgodnie z artykułem z czasopisma Nature (z 2021 r.), naukowcom udało się, przy pomocy impulsów laserowych, wywrzeć na diamencie ciśnienie rzędu 2 000 gigapaskali (GPa), czyli 20 milionów razy większe niż ciśnienie atmosferyczne i 5 razy większe niż ciśnienie wewnątrz jądra Ziemi. Urządzeniem, które potrafi bardziej statycznie wytwarzać wysokie ciśnienia jest natomiast tzw. komora diamentowa (ang. diamond anvil cell, DAC), w której można uzyskać ciśnienie 770 GPa. Z kolei w mniej kontrolowany sposób, w falach uderzeniowych, rejestrowano wartości nawet 100 000 GPa.

Drugie pytanie jest dużo bardziej podchwytliwe niż mogłoby się wydawać. Z jednej strony idealna próżnia, czyli zupełny brak cząsteczek, miałaby ciśnienie równe 0 paskali (ponieważ nie ma materii, która naciskałaby na ścianki pojemnika z próżnią), można więc uznać, że jest to asymptota ciśnienia (podobnie jak 0 kelwinów dla temperatury). Z drugiej strony, gdyby chcieć zmierzyć minimalne ciśnienie np. gazu, musielibyśmy doprowadzić go właśnie do temperatury zera absolutnego (co zgodnie z III zasadą termodynamiki, jest niemożliwe w skończonej liczbie kroków), jednak spekuluje się, że nawet wówczas materia miałaby jakieś niezerowe ciśnienie. Należy zwrócić uwagę na to, że zera absolutnego ciśnienia nie da się w prosty sposób wyprowadzić ze znanych nam modeli materii (jak równanie Clapeyrona gazu doskonałego: $pV = nRT$), ponieważ rzeczywista materia nie spełnia w zupełności założeń tych modeli, są one jedynie przybliżeniami. Nie można zatem, biorąc za przykład podane przed chwilą równanie stanu gazu doskonałego, powiedzieć, że dla $T=0$ i niezerowej objętości $V$ otrzymamy $p=0$, ponieważ badania empiryczne np. helu w warunkach bardzo niskich temperatur wskazały, że nie zachowuje on wtedy nawet stanu gazowego, przechodzi w stan nadciekły. Zatem nasze przybliżone modele nie dają nam pełnej odpowiedzi na pytanie, jakie jest zero absolutne ciśnienia materii – możemy tylko powiedzieć, że idealna próżnia powinna mieć ciśnienie równe 0 Pa (pomimo że taki stan, podobnie jak temperatura 0 K, są fizycznie nieosiągalne).