WhatsAppRedditShareEmailTweetPin0 Shares
Вселенная полна крайностей. Самые быстрые, самые древние, самые дальние — существует множество вещей, которые можно исследовать и которыми можно восхищаться, поражаясь творениям природы. Но как насчет самых холодных мест? Вы, вероятно, слышали об абсолютном нуле, но знаете ли вы, что происходит, когда вы его достигаете? Или почему ничто не может стать холоднее?
Основная концепция абсолютного нуля была открыта ещё в 1702 году. Французский изобретатель Гийом Амонтон выдвинул теорию о существовании самой низкой температуры, которую можно достичь, когда понял, что давление воздуха и температура взаимосвязаны. Его эксперименты привели его к выводу, что должна существовать точка, после которой давление не может стать ниже, а следовательно, и температура не может стать ниже.
Амонтон предположил, что минимальная возможная температура составляет -240 °C. Учитывая, что он не имел представления о движении атомов и его предположение относится к началу 1700-х годов, довольно впечатляет, насколько близко он оказался к истине.
Лишь в 1848 году физик Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, с достаточной точностью определил шкалу и создал свою одноименную шкалу Кельвина. Одной из его мотиваций было создание абсолютной шкалы температур, которая имела бы смысл и гарантировала бы отсутствие необходимости использовать отрицательные числа. Начиная с нуля, можно двигаться только вверх.
Конечно, для большинства из нас в повседневной жизни шкала Кельвина кажется непрактичной и громоздкой. Шкала Цельсия, в конце концов, гораздо логичнее, поскольку она основана на температурах кипения и замерзания воды, которые понятны обычным людям.
К счастью для нас, учёные постоянно экспериментируют с экстремальными температурами просто ради интереса, поэтому исследований на эту тему ведётся немало. Заварите себе тёплый напиток, и давайте разберёмся.
Физика абсолютного нуля
Поскольку у человечества довольно странная история измерения таких величин, как футы, корды, акры и тому подобное, потребовалось некоторое время, прежде чем мы разработали что-то последовательное или логичное. Шкалы Цельсия и Фаренгейта были популярны, но именно шкала Кельвина воспринимает вещи всерьез. Абсолютный ноль означает 0 Кельвинов, самую низкую возможную температуру. Это соответствует -273 °C или -459,67 °F.
Холод — это относительное свойство любого вещества, связанное с движением его атомов. Именно поэтому у него есть предел, именно поэтому можно достичь самой низкой возможной температуры — абсолютного нуля. Это точка, в которой атомы вещества полностью перестают двигаться или приближаются к ней настолько близко, насколько это вообще возможно, и термодинамическая система имеет самую низкую возможную энергию.
Это не обязательно означает, что атомы полностью перестали двигаться при абсолютном нуле, а лишь то, что энергия атомов вообще не может передаваться. Не выделяется ни малейшего количества тепла, даже самого незначительного, едва измеримого. Поскольку тепло выделяется за счет движения атомов, и эти атомы передают эту энергию другим атомам, с которыми они контактируют, при абсолютном нуле теплопередача отсутствует.
Для большинства из нас абсолютный ноль — это, по сути, пустяк и ничего больше. Мы никогда не откроем его для себя в реальной жизни, и уж точно у нас не будет много времени, чтобы оценить его, если это произойдёт, поскольку это очень быстро нас убьёт.
В лабораторных условиях, где практически достигнут абсолютный нуль, ученые наблюдали замечательные изменения в физике. Например, при сверхнизких температурах некоторые вещества, вопреки гравитации, текут вверх, а не вниз. Химические реакции также вынуждены подчиняться воле холода.
При абсолютном нуле любая химическая реакция теоретически должна была бы мгновенно остановиться. При приближении к абсолютному нулю ученые могут значительно замедлить реакции, которые обычно происходят за доли секунды, что позволяет им наблюдать и даже манипулировать процессом этих реакций.
Наука при сверхнизких температурах позволяет заглянуть в такие явления, как квантовая механика, которые иначе были бы недоступны при обычных температурах. Именно поэтому эта область так интересна ученым: она позволяет им изучать и наблюдать некоторые фундаментальные механизмы существования частиц и реакций во Вселенной, но таким образом, чтобы мы могли это увидеть.
Самое холодное место во Вселенной
Всем известно, что в глубинах космоса невероятно холодно, но когда речь идёт об абсолютном нуле, там просто тепло. В самых тёмных уголках космоса температура достигает 2,7 Кельвина. Конечно, это убьёт любое живое существо, поскольку это -270,45 °C или -453,8 °F, но до абсолютного нуля ещё далеко.
Конечно, в космосе температура неоднородна. Звезды, такие как наше Солнце, нагревают воздух при приближении, поэтому, чтобы получить низкие температуры, нужно найти место, расположенное в глуши.
В 5000 световых годах от Земли находится так называемая туманность Бумеранг. Она состоит из пыли и ионизирующих газов и является, пожалуй, самым холодным природным местом, которое вы когда-либо сможете найти. В центре туманности умирает красный гигант, и поскольку он сбрасывает весь свой звёздный материал с астрономически высокой скоростью, примерно в 250 раз быстрее, чем истребитель F-16, он также стремительно теряет тепло.
Температура туманности, согласно измерениям, составляет примерно на один градус Цельсия выше абсолютного нуля. Для сравнения, самая низкая зарегистрированная температура на Земле была зафиксирована в 1983 году и составила -89,2°C или -128,6°F. Это обжигающие 183,95 Кельвина. Эта температура была зафиксирована на станции Восток в Антарктиде. Это означает, что температура в туманности примерно в три раза ниже, чем когда-либо была на Земле, что звучит гораздо менее пугающе, чем есть на самом деле.
Можно ли создать абсолютный ноль в лаборатории?
Одна из интересных особенностей абсолютного нуля заключается в том, что учёным удалось приблизиться к нему довольно близко в лабораторных условиях. Некоторые научные концепции должны оставаться крайне теоретическими. Никому ещё не удалось создать чёрную дыру или разработать путешествие во времени. Но если вам нужен абсолютный ноль, то лучшее, чего нам удалось достичь на данный момент, — это 38 пикокельвинов, что составляет 38 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Этого удалось добиться, сбрасывая намагниченный рубидиевый газ вниз по башне в немецкой лаборатории, именно так сейчас и получают очень холодные вещества.
Хотя 38 триллионных долей звучит невероятно близко, скорее всего, мы никогда не приблизимся к этому значению намного ближе. Принято считать, что абсолютного нуля никогда нельзя достичь из-за квантовых флуктуаций. Термодинамика также не позволяет достичь абсолютно самой низкой температуры, и мы немного поговорим об этом позже.
Что касается человечества, то еще одним препятствием является несовершенство технологий. В какой-то момент, очевидно, за пределами 38 триллионных долей градуса, мы просто не можем измерить с достаточной точностью, чтобы с уверенностью сказать, что достигли идеального абсолютного нуля. Абсолютный ноль и мельчайшая его доля были бы неотличимы от показаний наших приборов.
Проблема с измерительными приборами настолько серьезна, что высказывалось предположение: даже если бы мы смогли достичь абсолютного нуля, мы могли бы даже не осознавать этого из-за потенциальной неточности. Для этого нужен термометр, способный измерять температуру с бесконечной точностью, а такого, очевидно, не существует, поэтому мы никогда не сможем получить необходимые нам точные измерения.
К счастью, многие ученые, работающие в этой области исследований, на самом деле не стремятся к достижению абсолютного нуля. Именно температуры, близкие к абсолютному нулю, представляют наибольший интерес, поскольку они все еще допускают некоторые очень незначительные движения атомов. Реакции все еще можно наблюдать, тогда как при достижении абсолютного нуля наблюдать было бы практически нечего. Это физический аналог накопления большого количества вещества без какого-либо результата.
Хотя концепция абсолютного нуля великолепна, она остается в области теории, хотя некоторые до сих пор спорят о том, можно ли ее достичь технически. Однако наука не всегда согласна с этим утверждением.
Почему это невозможно
Нил Деграсс Тайсон предложил несколько объяснений того, почему достижение абсолютного нуля на самом деле невозможно. Его первый аргумент основан на принципе теплообмена, и он привёл в пример холодильник. Вы помещаете продукты комнатной температуры в холодильник, и холодный воздух внутри холодильника отбирает у них тепло. В конце концов, тепло существует, а холод — это просто его отсутствие. Вы отнимаете эту тепловую энергию у чего-либо, и оно становится холодным; вам не нужно ничего к этому добавлять.
Таким образом, более холодный воздух в холодильнике отводит тепло от более тёплой пищи, пока не будет достигнута общая температура холодильника, морозильной камеры или любого другого места, где происходит потеря тепла. Но по шкале Кельвина возникает проблема с абсолютным нулем. Чтобы отвести последнюю каплю тепла от чего-либо и достичь абсолютного нуля, вам нужно что-то холоднее абсолютного нуля (это начинается примерно с отметки 8:20 в видео). Вам нужно что-то более холодное, чем то, что способно отвести это последнее, почти неизмеримое количество тепла. Но как такое вообще может существовать?
Тайсон продолжает объяснять вторую проблему. Согласно квантовой физике, никогда нельзя точно знать, где находятся атомы в частице. Квантовые колебания должны существовать постоянно, позволяя этим атомам вибрировать, даже совсем немного. Должен существовать квантовый предел абсолютного нуля, который не позволяет атомам полностью остановиться, потому что, если бы они остановились, можно было бы точно определить местоположение любого атома, а это просто не работает с физикой.
В 1912 году было выдвинуто теоретическое предположение о невозможности достижения абсолютного нуля за конечный промежуток времени. Это известно как принцип недостижимости. Это связано с первым тезисом Тайсона о поиске способа уменьшить тепловое напряжение на последнюю долю градуса, чтобы достичь абсолютного нуля.
Экспериментами было показано, что для охлаждения чего-либо до абсолютного нуля требуется либо бесконечная работа, либо бесконечно большой резервуар для охлаждения. По мере приближения чего-либо к абсолютному нулю его энтропия также приближается к нулю, и, согласно физике, невозможно подготовить систему к состоянию с нулевой энтропией за конечное число шагов.
В одном эксперименте было установлено, что абсолютный нуль теоретически достижим, но для этого необходимы три компонента. Первый — время, второй — сложность, а третий — энергия. Проблема, выявленная в этом эксперименте, заключается в том, что для достижения абсолютного нуля необходимо наличие одного из этих компонентов в бесконечном количестве. Пока это возможно, можно достичь цели. Возможно, вы понимаете, что это еще один способ сказать, что достичь этого невозможно.
Что бы произошло теоретически?
Известно, что при сверхнизких температурах, граничащих с абсолютным нулем, происходит образование бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК). БЭК считается другим состоянием материи, но существует он только при таких сверхнизких температурах. Он образуется, когда газ переохлаждается, и атомы или субатомные частицы сливаются в квантово-механическую сущность. Это звучит очень научно-фантастично, но по сути это означает, что атомы действуют как единая волновая функция, как будто они просто объединились в один суператом.
Эйнштейн, используя формулы Бозе, предположил, что это произойдет за много десятилетий до того, как это было доказано на практике, но это подчиняется правилам квантовой механики. Однако это может происходить только при низких температурах, поскольку отдельные атомы должны находиться при настолько низкой энергии, что начинают двигаться вместе.
Если бы мы смогли преодолеть это состояние бозе-эйнштейновского конденсата и достичь истинного абсолютного нуля, то материя потеряла бы всю свою кинетическую энергию. Если бы кинетической энергии не было, а атомы были бы заморожены, то то, что вы наблюдали, больше нельзя было бы считать материей. На данный момент физика в том виде, в каком мы её понимаем, не допускает, чтобы материя просто перестала быть материей.
Другие статьи, которые могут вас заинтересовать