Jeżeli dwa termometry pokazują co innego, który ma rację? W domu można sięgnąć po trzeci. W laboratorium każdy przyrząd został jednak kiedyś porównany z dokładniejszym wzorcem. Taki łańcuch staje się szczególnie kłopotliwy przy pięciu kelwinach, czyli niemal 268 stopniach Celsjusza poniżej zera. To zakres istotny dla nadprzewodników, czujników kwantowych i badań skroplonych gazów. Termometr może tam sam ogrzewać otoczenie, a jego wskazania zależą od wcześniejszej kalibracji. Jak więc zmierzyć temperaturę bardziej bezpośrednio?

Zespół z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika wykorzystał cząsteczki wodoru. Te lecące ku wiązce światła pochłaniają nieco inną częstotliwość niż oddalające się od niej. Zamiast idealnie ostrej linii w widmie powstaje linia poszerzona przez efekt Dopplera. Im cieplejszy gaz, tym szybsze cząsteczki i szersza linia. Znając masę cząsteczki wodoru, częstotliwość przejścia, prędkość światła i stałą Boltzmanna, można obliczyć temperaturę z szerokości linii. Pomiar częstotliwości odniesiono za pomocą grzebienia optycznego do realizacji czasu UTC w Obserwatorium Astrogeodynamicznym w Borowcu. Powstaje termometr pierwotny: nie trzeba go wcześniej porównywać z innym termometrem.

Brzmi prosto, lecz linia wodoru jest bardzo słaba, a w temperaturze kilku kelwinów znaczna część gazu zamarza. Badacze umieścili wodór w 69-centymetrowej wnęce między niezwykle dobrze odbijającymi zwierciadłami. Światło krążyło w niej średnio przez 26 mikrosekund, pokonując w gazie drogę rzędu ośmiu kilometrów. Dzięki temu nawet niewielkie pochłanianie pozostawiało mierzalny ślad. Trudniejsze było równomierne schłodzenie nie tylko próbki, ale całej wnęki: zwierciadeł, miedzianej obudowy i mechanizmu regulującego jej długość. Cieplejszy fragment ściany zaburzałby rozkład prędkości cząsteczek i fałszował wynik. Konstrukcja tłumiła też drgania kriostatu, a wahania temperatury komory utrzymano poniżej jednej tysięcznej kelwina.

Temperaturę światłem zmierzono w zakresie od 4,9 do 7,8 kelwina. Powyżej sześciu kelwinów niepewność wynosiła mniej niż 0,02 kelwina. Przy najniższej temperaturze wzrosła do 0,18 kelwina, bo ciśnienie par wodoru i sygnał gwałtownie malały. Wyniki na ogół zgadzały się z odczytami komercyjnego czujnika diodowego. Z tego samego widma badacze wyznaczyli liczbę cząsteczek w jednostce objętości, a z niej i temperatury – ciśnienie. Optycznie odtworzyli więc trzy jednostki SI i zmierzyli fragment diagramu fazowego wodoru obejmujący ponad trzy rzędy wielkości ciśnienia. Położenie linii pozwoliło też sprawdzić przewidywania elektrodynamiki kwantowej do dziesiątej cyfry znaczącej.

Badanie przeprowadził 16-osobowy zespół Instytutu Fizyki UMK w Toruniu. Wyniki opublikowano w „Nature Physics”. W codziennym życiu temperaturę odczytujemy z liczby na ekranie. Przy granicach możliwości pomiaru trzeba zajrzeć głębiej: do ruchu cząsteczek i praw, które mają obowiązywać wszędzie. Czasem najlepszym termometrem okazuje się linia światła poszerzona przez niewidoczny ruch gazu.