Что такое абсолютный ноль и можно ли его достичь.

Когда в сводке погоды предсказывают температуру около нуля, на каток идти не стоит: лед будет таять. Температура таяния льда принята за нуль градусов по шкале Цельсия - самой распространенной температурной шкале.
Нам отлично знакомы отрицательные градусы шкалы Цельсия - градусы <ниже нуля>, градусы холода. Наиболее низкая температура на Земле была зарегистрирована в Антарктиде: -88,3°Ц. Вне Земли возможны и еще более низкие температуры: на поверхности Луны в лунную полночь бывает до - 160°Ц.
Но нигде не могут существовать сколь угодно низкие температуры. Предельно низкая температура - абсолютный нуль - по шкале Цельсия соответствует - 273,16°.
От абсолютного нуля берет начало абсолютная температурная шкала, шкала Кельвина. Лед тает при 273,16° Кельвина, а вода кипит при 373,16° К. Таким образом, градус К равен градусу Ц. Но по шкале Кельвина все температуры положительны.
Почему же 0°К - предел холода?
Тепло - хаотическое движение атомов и молекул вещества. Когда вещество охлаждают, у него отнимают тепловую энергию, и при этом беспорядочное движение частиц ослабевает. В конце концов, при сильном охлаждении, тепловая <пляска> частиц почти полностью прекращается. Совсем замерли бы атомы и молекулы при температуре, которая и принята за абсолютный нуль. Согласно принципам квантовой механики, при абсолютном нуле прекратилось бы именно тепловое движение частиц, но сами частицы не замерли бы, так как они не могут находиться в полном покое. Таким образом, при абсолютном нуле частицы все же должны сохранять какое-то движение, которое называют нулевым.

Однако охладить вещество до температуры ниже абсолютного нуля - замысел столь же бессмысленный, как, скажем, намерение <идти медленнее, чем стоять на месте>.

Более того, даже достичь точного абсолютного нуля практически тоже невозможно. К нему можно лишь приблизиться. Потому что никакими способами нельзя отнять у вещества абсолютно всю его тепловую энергию. Некоторая доля тепловой энергии остается при самом глубоком охлаждении.
Как же достигают сверхнизких температур?
Заморозить вещество сложнее, чем нагреть. Это видно хотя бы из сравнения устройства печки и холодильника.
В большинстве бытовых и промышленных холодильников тепло отнимается благодаря испарению особой жидкости - фреона, который циркулирует по металлическим трубкам. Секрет в том, что фреон может пребывать в жидком состоянии лишь при достаточно низкой температуре. В холодильной камере за счет тепла камеры он нагревается и кипит, превращаясь в пар. Но пар сжимается компрессором, сжижается и поступает в испаритель, восполняя убыль испаряющегося фреона. Энергия расходуется на работу компрессора.
В аппаратах глубокого охлаждения носителем холода служит сверххолодная жидкость - жидкий гелий. Бесцветный, легкий (в 8 раз легче воды), он кипит под атмосферным давлением при 4,2°К, а в вакууме - при 0,7°К. Еще более низкую температуру дает легкий изотоп гелия: 0,3°К.
Устроить постоянно действующий гелиевый холодильник довольно сложно. Исследования ведутся просто в ваннах с жидким гелием. А чтобы сжижить этот газ, физики пользуются разными приемами. Например, расширяют предварительно охлажденный и сжатый гелий, выпуская его через тонкое отверстие в вакуумную камеру. При этом температура еще снижается и некоторая часть газа обращается в жидкость. Более эффективно не только расширять охлажденный газ, но и заставить его выполнять работу - двигать поршень.
Полученный жидкий гелий хранят в специальных термосах - сосудах Дьюара. Стоимость этой самой холодной жидкости (единственной не замерзающей у абсолютного нуля) получается довольно высокой. Тем не менее жидкий гелий в наши дни используется все шире, не только в науке, но и в различных технических устройствах.
Самых низких температур удалось добиться иным способом. Оказывается, молекулы некоторых солей, например хромокалиевых квасцов, могут поворачиваться вдоль силовых магнитных линий. Такую соль предварительно охлаждают жидким гелием до 1°К и помещают в сильное магнитное поле. При этом молекулы поворачиваются вдоль силовых линий, а выделившееся тепло отбирается жидким гелием. Затем магнитное поле резко снимают, молекулы вновь поворачиваются в разные стороны, а затраченная

на это работа ведет к дальнейшему охлаждению соли. Так получили температуру 0,001° К. Подобным же в принципе методом, применяя другие вещества, можно получить еще более низкую температуру.
Наинизшая температура, полученная пока на Земле, равна 0,00001° К.

Сверхтекучесть

Вещество, замороженное до сверхнизких температур в ваннах с жидким гелием, заметно изменяется. Резина становится хрупкои, свинец - твердым, как сталь, и упругим, многие сплавы увеличивают прочность.

Своеобразно ведет себя сам жидкий гелий. При температуре ниже 2,2° К он приобретает небывалое для обычных жидкостей свойство - сверхтекучесть: некоторая его часть полностью теряет вязкость и без всякого трения протекает сквозь самые узкие щели.
Явление это, открытое в 1937 г. советским физиком академиком П. JI. Капицей, было затем объяснено академиком JI. Д. Ландау.
Оказывается, при сверхнизких температурах начинают заметно сказываться квантовые законы поведения вещества. Как требует один из таких законов, от тела к телу энергия может передаваться лишь вполне определенными порциями-квантами. В жидком гелии так мало квантов тепла, что на все атомы их не хватает. Часть жидкости, лишенная квантов тепла, пребывает как бы при абсолютном нуле температуры, ее атомы совершенно не участвуют в беспорядочном тепловом движении и никак не взаимодействуют со стенками сосуда. Эта часть (ее назвали гелием-Н) и обладает сверхтекучестью. С понижением температуры гелия-П становится все больше, и при абсолютном нуле весь гелий превратился бы в гелий-Н.
Сверхтекучесть сейчас изучена очень подробно и даже нашла полезное практическое применение: с ее помощью удается разделять изотопы гелия.

Сверхпроводимость

Возле абсолютного нуля чрезвычайно любопытные изменения происходят с электрическими свойствами некоторых материалов.
В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес сделал неожиданное открытие: оказалось, что при температуре 4,12° К в ртути полностью исчезает электрическое сопротивление. Ртуть становится сверхпроводником. Электрический ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, не затухает и может течь практически вечно.
Над таким кольцом сверхпроводящий шарик будет парить в воздухе и не падать, будто сказочный <гроб Магомета>, потому что его тяжесть компенсируется магнитным отталкиванием между кольцом и шариком. Ведь незатухающий ток в кольце создаст магнитное поле, а оно, в свою очередь, наведет в шарике электрический ток и вместе с ним противоположно направленное магнитное поле.
Кроме ртути, сверхпроводимостью возле абсолютного нуля обладают олово, свинец, цинк, алюминий. Это свойство обнаружено у 23 элементов и более ста различных сплавов и других химических соединений.
Температуры появления сверхпроводимости (критические температуры) составляют довольно широкий интервал - от 0,35° К (гафний) до 18° К (сплав ниобий-олово).
Явление сверхпроводимости, как и сверх-
текучести, подробно изучено. Найдены зависимости критических температур от внутренней структуры материалов и внешнего магнитного поля. Разработана глубокая теория сверхпроводимости (важный вклад внесен советским ученым академиком Н. Н. Боголюбовым).
Сущность этого парадоксального явления опять-таки сугубо квантовая. При сверхнизких температурах электроны в

сверхпроводнике образуют систему попарно связанных частиц, которые не могут отдавать энергию кристаллической решетке, тратить кванты энергии на ее нагревание. Пары электронов движутся, как бы <танцуя>, между <прутьями решетки> - ионами и обходят их без столкновений и передачи энергии.
Сверхпроводимость все шире используется в технике.
Входят в практику, например, сверхпроводящие соленоиды - катушки из сверхпроводника, погруженные в жидкий гелий. В них сколь угодно долго может храниться однажды наведенный ток и, следовательно, магнитное поле. Оно может достигать гигантской величины - свыше 100 ООО эрстед. В будущем, несомненно, появятся мощные промышленные сверхпроводящие устройства - электродвигатели, электромагниты и т. д.
В радиоэлектронике немалую роль начинают играть сверхчувствительные усилители и генераторы электромагнитных волн, которые особенно хорошо действуют в ваннах с жидким гелием, - там полностью исчезают внутренние <шумы> аппаратуры. В электронно-вычислительной технике блестящую будущность сулят маломощным сверхпроводящим переключателям - криотронам (см. ст. <Пути электроники>).
Нетрудно представить себе, сколь заманчиво было бы продвинуть действие подобных приборов в область более высоких, более доступных температур. В последнее время открывается надежда создания полимерных пленочных сверхпроводников. Своеобразный характер электропроводности в таких материалах сулит блистательную возможность сохранить сверхпроводимость даже при комнатных температурах. Ученые настойчиво ищут пути осуществления этой надежды.

В недрах звезд

А теперь заглянем в царство самого горячего, что есть на свете, - в недра звезд. Туда, где температуры достигают миллионов градусов.
Беспорядочное тепловое движение в звездах настолько интенсивно, что целые атомы там существовать не могут: они разрушаются в бесчисленных столкновениях.
Столь сильно раскаленное вещество поэтому не может быть ни твердым, ни жидким, ни газообразным. Оно пребывает в состоянии плазмы, т. е. смеси электрически заряженных <осколков> атомов - атомных ядер и электронов.
Плазма - своеобразное состояние вещества. Поскольку ее частицы электрически заряжены, они чутко повинуются электрическим и магнитным силам. Поэтому близкое соседство двух атомных ядер (они несут положительный заряд) - явление редкое. Лишь при высоких плотностях и огромных температурах налетающие друг на друга атомные ядра способны сблизиться вплотную. Тогда совершаются термоядерные реакции - источник энергии звезд.
Ближайшая к нам звезда - Солнце состоит главным образом из водородной плазмы, которая раскалена в недрах светила до 10 млн. градусов. При таких условиях тесные сближения быстрых водородных ядер - протонов хоть и редко, но случаются. Иногда сблизившиеся протоны вступают во взаимодействие: преодолев электрическое отталкивание, они попадают во власть гигантских ядерных сил притяжения, стремительно <падают> друг на друга и сливаются. Тут происходит мгновенная перестройка: вместо двух протонов возникают дейтрон (ядро тяжелого изотопа водорода), позитрон и нейтрино. Освобождается энергия 0,46 млн. электрон-вольт (Мэв).
Каждый отдельно взятый солнечный протон может вступить в такую реакцию в среднем один раз за 14 млрд. лет. Но протонов в недрах светила так много, что то тут, то там совершается это маловероятное событие, - и горит наша звезда своим ровным, ослепительным пламенем.
Синтез дейтронов лишь первый шаг солнечных термоядерных превращений. Новорожденный дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) соединяется еще с одним протоном. Возникает ядро легкого гелия и гамма-квант электромагнитного излучения. Освобождается 5,48 Мэв энергии.
Наконец, в среднем раз в миллион лет могут сойтись и соединиться два ядра легкого гелия. Тогда образуется ядро обычного гелия (альфа-частица) и отщепляются два протона. Выделяется 12,85 Мэв энергии.
Этот трехступенчатый <конвейер> термоядерных реакций не единственный. Существует и другая цепочка ядерных превращений, более быстрых. В ней участвуют (не расходуясь) атомные ядра углерода и азота. Но в обоих вариантах из водородных ядер синтезируются альфа-частицы. Фигурально выражаясь, водородная плазма Солнца <сгорает>, превращаясь в <золу> - плазму гелия. И в процессе синтеза каждого грамма гелиевой плазмы выделяется 175 тыс. квт-ч энергии. Огромное количество!
Ежесекундно Солнце излучает 4 1033 эргов энергии, теряя в весе 4 1012 г (4 млн. т) вещества. Но полная масса Солнца 2 1027 т. Значит, за миллион лет благодаря лучеиспусканию Солнце <худеет> всего лишь на одну десятимиллионную часть своей массы. Эти цифры красноречиво иллюстрируют эффективность термоядерных реакций и гигантскую калорийность солнечного <горючего> - водорода.
Термоядерный синтез, по-видимому, главный источник энергии всех звезд. При разных температурах и плотностях звездных недр осуществляются разные типы реакций. В частности, солнечная <зола>-ядра гелия - при 100 млн. градусов сама становится термоядерным <горючим>. Тогда из альфа-частиц могут синтезироваться еще более тяжелые атомные ядра - углерода и даже кислорода.
Как считают многие ученые, вся наша Метагалактика в целом тоже плод термоядерного синтеза, который проходил при температуре в миллиард градусов (см. ст. <Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

К искусственному солнцу

Необычайная калорийность термоядерного <горючего> побудила ученых добиваться искусственного осуществления реакций ядерного синтеза.
<Горючего> - изотопов водорода на нашей планете немало. Например, сверхтяжелый водород тритий можно получить из металла лития в ядерных реакторах. А тяжелый водород - дейтерий входит в состав тяжелой воды, которую можно добыть из обычной воды.
Тяжелый водород, извлеченный из двух стаканов обычной воды, дал бы в термоядерном реакторе столько энергии, сколько сейчас дает сжигание бочки первосортного бензина.
Трудность заключается в том, чтобы предварительно нагреть <горючее> до температур, при которых оно способно воспламениться могучим термоядерным огнем.
Впервые эта задача была решена в водородной бомбе. Изотопы водорода там поджигаются взрывом атомной бомбы, что сопровождается нагревом вещества до многих десятков миллионов градусов. В одном из вариантов водородной бомбы термоядерным горючим служит химическое соединение тяжелого водорода с легким литием - дейтерид легкого л и т и я. Этот белый порошок, похожий на столовую соль, <воспламеняясь> от <спички>, которой служит атомная бомба, мгновенно взрывается и создает температуру в сотни миллионов градусов.
Чтобы возбудить мирную термоядерную реакцию, надо прежде всего научиться без услуг атомной бомбы разогревать малые дозы достаточно плотной плазмы изотопов водорода до температур в сотни миллионов градусов. Эта проблема - одна из труднейших в современной прикладной физике. Над ней уже много лет работают ученые всего мира.
Мы уже говорили, что именно хаотическое движение частиц создает нагретость тел, причем средняя энергия их беспорядочного движения и соответствует температуре. Нагреть холодное тело - значит любым способом создать этот беспорядок.
Вообразите, что две группы бегунов стремительно несутся навстречу друг другу. Вот они столкнулись, перемешались, началась толчея, неразбериха. Отличный беспорядок!
Примерно так же физики на первых порах пытались получить высокую температуру - путем сталкивания газовых струй высокого давления. Газ нагревался до 10 тыс. градусов. В свое время это был рекорд: температура выше, чем на поверхности Солнца.
Но при этом способе дальнейший, достаточно медленный, не взрывной нагрев газа невозможен, так как тепловой беспорядок мгновенно распространяется во все стороны, согревая стенки экспериментальной камеры и окружающую среду. Полученное тепло быстро покидает систему, и изолировать ее невозможно.
Если струи газа заменить потоками плазмы, проблема теплоизоляции остается очень трудной, но открывается и надежда на ее решение.
Правда, и плазму нельзя оградить от потерь тепла сосудами, изготовленными из вещества пусть даже самого тугоплавкого. Соприкасаясь с твердыми стенками, горячая плазма немедленно остывает. Зато можно попытаться удержать и разогреть плазму, создав ее скопление в вакууме так, чтобы она не касалась стенок камеры, а висела в пустоте, ни до чего не дотрагиваясь. Тут следует воспользоваться тем, что частицы плазмы не нейтральные, как атомы газа, а электрически заряженные. Поэтому в движении они подвергаются действию магнитных сил. Возникает задача: устроить магнитное поле особой конфигурации, в котором горячая плазма висела бы как в мешке с невидимыми стенками.
Простейший вид такого п.эля создается автоматически, когда через плазму пропускают сильные импульсы электрического тока. Вокруг плазменного шнура при этом наводятся магнитные силы, которые стремятся сжать шнур. Плазма отделяется от стенок разрядной трубки, и у оси шнура в толчее частиц температура поднимается до 2 млн. градусов.
У нас в стране такие эксперименты были исполнены еще в 1950 г. под руководством академиков JI. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича.
Другое направление опытов - использование магнитной бутылки, предложенной в 1952 г. советским физиком Г. И. Буд-кером, ныне академиком. Магнитная бутылка устраивается в пробкотроне - цилиндрической вакуумной камере, снабженной наружной обмоткой, которая сгущается у концов камеры. Ток, протекающий по обмотке, создает в камере магнитное поле. Его силовые линии в средней части располагаются параллельно образующим цилиндра, а у концов сжимаются и образуют магнитные пробки. Частицы плазмы, впрыснутой в магнитную бутылку, вьются вокруг силовых линий, отражаются от пробок. В результате плазма некоторое время удерживается внутри бутылки. Если энергия введенных в бутылку плазменных частиц достаточно велика и их достаточно много, они вступают в сложные силовые взаимодействия, их поначалу упорядоченное движение запутывается, становится беспорядочным - температура водородных ядер поднимается до десятков миллионов градусов.
Дополнительный нагрев достигается электромагнитными <ударами> по плазме, сжатием магнитного поля и т. д. Сейчас плазму ядер тяжелого водорода раскаляют до сотен миллионов градусов. Правда, это удается сделать либо на короткое время, либо при малой плотности плазмы.
Чтобы возбудить самоподдерживающуюся реакцию, предстоит дальше поднять температуру и плотность плазмы. Добиться этого трудно. Однако проблема, как убеждены ученые, бесспорно разрешима.

Г.Б. Анфилов

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?

Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Шкала Кельвина

Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) - выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой

(3.7.6)

На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.

Зависимость объема от абсолютной температуры

Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как

(3.7.7)

Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:

(3.7.8)

Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы. Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры .

Температура, определяемая равенством (2), называется абсолютной температурой . Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k . Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в "точку") при неизменном давлении, называется абсолютным нулем . Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac{m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i}{2}\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль - температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул . Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T 0 = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T 0 таяния льда и температуры кипения воды (T 0 + 100):

\(~\frac{p_1V}{N} = kT_0 ;\) \(~\frac{p_2V}{N} = k(T_0 + 100) .\)

Разделим второе уравнение на первое, получим:

\(~\frac{p_2}{p_1} = \frac{T_0 + 100}{T_0} .\)

\(~T_0 = \frac{100}{\frac{p_2}{p_1} - 1} = \frac{100}{1,3661 - 1} = 273,15 K.\)

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

Задумывались ли вы над тем, насколько низкой может быть температура? Что представляет собой абсолютный ноль? Удастся ли человечеству когда-нибудь его достичь и какие возможности откроются после такого открытия? Эти и другие подобные вопросы издавна занимали умы многих физиков да и просто любознательных людей.

Что есть абсолютный ноль

Даже если с детства не любили физику, вам наверняка знакомо понятие температуры. Благодаря молекулярно-кинетической теории теперь мы знаем, что между ней и движениями молекул и атомов существует определенная статическая связь: чем больше температура любого физического тела, тем быстрее движутся его атомы, и наоборот. Возникает вопрос: «Существует ли такая нижняя граница, при которой элементарные частицы застынут на месте?». Ученые считают, что это теоритически возможно, столбик термометра окажется на отметке -273,15 градуса по шкале Цельсия. Данное значение получило название абсолютный ноль. Другими словами, это минимально возможный предел, до которого может быть охлаждено физическое тело. Есть даже абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина), в которой абсолютный ноль является точкой отсчета, а единичное деление шкалы равно одному градусу. Ученые по всему миру не прекращают работы по достижению данного значения, так как это сулит человечеству огромные перспективы.

Почему это так важно

Предельно низкие и предельно высокие температуры тесно связаны с понятием сверхтекучести и сверхпроводимости. Исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводниках позволит достичь немыслимых значений КПД и исключить любые потери энергии. Если бы удалось найти способ, который позволит свободно достичь значения "абсолютный нуль", многие проблемы человечества были бы решены. Поезда, парящие над рельсами, более легкие и менее объемные двигатели, трансформаторы и генераторы, высокоточная магнитоэнцефалография, высокоточные часы - вот лишь несколько примеров того, что может принести сверхпроводимость в нашу жизнь.

Последние научные достижения

В сентябре 2003 года исследователи из MIT и NASA сумели охладить газ натрий до рекордно низкого значения. В ходе эксперимента до финишной отметки (абсолютный ноль) им не хватило всего половины миллиардной доли градуса. В процессе тестов натрий все время находился в магнитном поле, которое удерживало его от прикосновения к стенкам контейнера. Если бы удалось преодолеть температурный барьер, молекулярное движение в газе полностью бы остановилось, ведь такое охлаждение извлекло бы всю энергию из натрия. Исследователи применили методику, автор которой (Вольфганг Кеттерле) получил в 2001 году Нобелевскую премию по физике. Ключевым моментом в проводимых тестах были газовые процессы конденсации Бозе-Эйнштейна. Меж тем, никто еще не отменял третье начало термодинамики, согласно которому абсолютный ноль - это не только непреодолимая, но и недостижимая величина. К тому же действует принцип неопределенности Гейзенберга, и атомы просто не могут остановиться как вкопанные. Таким образом, пока что абсолютный нуль температуры для науки остается недостижимым, хоть ученые и смогли приблизиться к нему на ничтожно маленькое расстояние.

Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? Если вам интересно, можно ли обогнать волну холода, давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры…

Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры. Температура — это мера измерения количества внутренней случайной энергии материала. Слово «внутренней» очень важно. Бросьте снежок, и хотя основное движение будет достаточно быстрым, снежный ком останется довольно холодным. С другой стороны, если вы посмотрите на молекулы воздуха, летающие по комнате, обычная молекула кислорода жарит со скоростью тысяч километров в час.

Мы обычно умолкаем, когда речь заходит о технических деталях, поэтому специально для экспертов отметим, что температура немного более сложная вещь, чем мы сказали. Истинное определение температуры подразумевает то, сколько энергии вам нужно затратить на каждую единицу энтропии (беспорядка, если хотите более понятное слово). Но давайте опустим тонкости и просто остановимся на том, что случайные молекулы воздуха или воды в толще льда будут двигаться или вибрировать все медленнее и медленнее, по мере понижения температуры.

Абсолютный ноль — это температура -273,15 градусов Цельсия, -459,67 по Фаренгейту и просто 0 по Кельвину. Это точка, где тепловое движение полностью останавливается.

Все останавливается?

В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики. Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.

Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.

Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе. Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.

Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.

Как низко можно пасть?

Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны, если что.

Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять). Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).

Конечно, если вы хотите остыть не по-детски, вам нужно нырнуть в глубины космоса. Вся вселенная залита остатками излучения от Большого Взрыва, в самых пустых регионах космоса — 2,73 градуса по Кельвину, что немногим холоднее, чем температура жидкого гелия, который мы смогли получить на Земле век назад.

Но физики-низкотемпературщики используют замораживающие лучи, чтобы вывести технологию на совершенно новый уровень. Вас может удивить то, что замораживающие лучи принимают форму лазеров. Но как? Лазеры должны сжигать.

Все верно, но у лазеров есть одна особенность — можно даже сказать, ультимативная: весь свет излучается на одной частоте. Обычные нейтральные атомы вообще не взаимодействуют со светом, если частота не настроена точным образом. Если же атом летит к источнику света, свет получает допплеровский сдвиг и выходит на более высокую частоту. Атом поглощает меньшую энергию фотона, чем мог бы. Так что если настроить лазер пониже, быстродвижущиеся атомы будут поглощать свет, а излучая фотон в случайном направлении, будут терять немного энергии в среднем. Если повторять процесс, вы можете охладить газ до температуры меньше одного наноКельвина, миллиардной доли градуса.

Все приобретает более экстремальную окраску. Мировой рекорд самой низкой температуры составляет менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Устройства, которые добиваются этого, захватывают атомы в магнитные поля. «Температура» зависит не столько от самих атомов, сколько от спина атомных ядер.

Теперь, для восстановления справедливости, нам нужно немного пофантазировать. Когда мы обычно представляем себе что-то, замороженной до одной миллиардной доли градуса, вам наверняка рисуется картинка, как даже молекулы воздуха замерзают на месте. Можно даже представить разрушительное апокалиптическое устройство, замораживающее спины атомов.

В конечном счете, если вы действительно хотите испытать низкую температуру, все, что вам нужно, это ждать. Спустя примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К. Через 400 миллиардов лет глубокий космос будет таким же холодным, как самый холодный эксперимент на Земле, и после этого — еще холоднее.

Если вам интересно, почему вселенная остывает так быстро, скажите спасибо нашим старым друзьям: энтропии и темной энергии. Вселенная находится в режиме акселерации, вступая в период экспоненциального роста, который будет продолжаться вечно. Вещи буду замерзать очень быстро.

Какое нам дело?

Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.

Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.

Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах. К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан. В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии. Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.

При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления.

Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.

Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?

Давайте взглянем на другую крайность. Если температура — это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?

Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое. Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка».

Это был миг длиной в 10^-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас. Температура в то время была примерно 10^32 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.

Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.