WhatsAppRedditShareEmailTweetPin0 Shares
Сусвет поўны крайнасцяў. Самыя хуткія, самыя старажытныя, самыя далёкія - існуе мноства рэчаў, якія можна даследаваць і якімі можна захапляцца, дзівячыся творам прыроды. Але як наконт самых лядоўняў месцаў? Вы, верагодна, чулі аб абсалютным нулі, але ці ведаеце вы, што адбываецца, калі вы яго дасягаеце? Або чаму нішто не можа стаць халадней?
Асноўная канцэпцыя абсалютнага нуля была адкрыта яшчэ ў 1702 годзе. Французскі вынаходнік Гіём Амантан высунуў тэорыю аб існаванні самай нізкай тэмпературы, якую можна дасягнуць, калі зразумеў, што ціск паветра і тэмпература ўзаемазвязаны. Яго эксперыменты прывялі яго да высновы, што павінна існаваць кропка, пасля якой ціск не можа стаць ніжэй, а такім чынам, і тэмпература не можа стаць ніжэй.
Амантон выказаў меркаванне, што мінімальная магчымая тэмпература складае -240 °C. Улічваючы, што ён не меў уяўлення аб руху атамаў і яго здагадка адносіцца да пачатку 1700-х гадоў, даволі ўражвае, наколькі блізка ён апынуўся да праўды.
Толькі ў 1848 годзе фізік Уільям Томсан, больш вядомы як лорд Кельвін, з дастатковай дакладнасцю вызначыў шкалу і стварыў сваю аднайменную шкалу Кельвіна. Адной з яго матывацый было стварэнне абсалютнай шкалы тэмператур, якая мела б сэнс і гарантавала б адсутнасць неабходнасці выкарыстоўваць адмоўныя лікі. Пачынаючы з нуля, можна рухацца толькі ўверх.
Вядома, для большасці з нас у паўсядзённым жыцці шкала Кельвіна здаецца непрактычнай і грувасткай. Шкала Цэльсія, у рэшце рэшт, значна больш лагічна, паколькі яна заснавана на тэмпературах кіпення і замярзання вады, якія зразумелыя звычайным людзям.
Да шчасця для нас, навукоўцы ўвесь час эксперыментуюць з экстрэмальнымі тэмпературамі проста дзеля цікавасці, таму даследаванняў на гэтую тэму вядзецца нямала. Заварыце сабе цёплы напой, і давайце разбярэмся.
Фізіка абсалютнага нуля
Паколькі ў чалавецтва даволі дзіўная гісторыя вымярэння такіх велічынь, як футы, корды, акры і таму падобнае, запатрабаваўся некаторы час, перш чым мы распрацавалі нешта паслядоўнае ці лагічнае. Шкалы Цэльсія і Фарэнгейта былі папулярныя, але менавіта шкала Кельвіна ўспрымае рэчы сур'ёзна. Абсалютны нуль азначае 0 Кельвінаў, самую нізкую магчымую тэмпературу. Гэта адпавядае -273 °C ці -459,67 °F.
Холад — гэта адносная ўласцівасць любога рэчыва, звязанае з рухам яго атамаў. Менавіта таму ў яго ёсць мяжа, менавіта таму можна дасягнуць самай нізкай магчымай тэмпературы - абсалютнага нуля. Гэта кропка, у якой атамы рэчыва цалкам перастаюць рухацца ці набліжаюцца да яе настолькі блізка, наколькі гэта ўвогуле магчыма, і тэрмадынамічная сістэма мае самую нізкую магчымую энергію.
Гэта не абавязкова азначае, што атамы цалкам перасталі рухацца пры абсалютным нулі, а толькі тое, што энергія атамаў увогуле не можа перадавацца. Не вылучаецца ні найменшай колькасці цяпла, нават самага малаважнага, ледзь вымернага. Паколькі цеплыня вылучаецца за кошт руху атамаў, і гэтыя атамы перадаюць гэтую энергію іншым атамам, з якімі яны кантактуюць, пры абсалютным нулі цеплаперадача адсутнічае.
Для большасці з нас абсалютны нуль - гэта, па сутнасці, дробязь і нічога больш. Мы ніколі не адкрыем яго для сябе ў рэальным жыцці, і ўжо сапраўды ў нас не будзе шмат часу, каб ацаніць яго, калі гэта адбудзецца, паколькі гэта вельмі хутка нас заб'е.
У лабараторных умовах, дзе практычна дасягнуты абсалютны нуль, навукоўцы назіралі выдатныя змены ў фізіцы. Напрыклад, пры звышнізкіх тэмпературах некаторыя рэчывы, насуперак гравітацыі, цякуць уверх, а не ўніз. Хімічныя рэакцыі таксама змушаныя падпарадкоўвацца волі холаду.
Пры абсалютным нулі любая хімічная рэакцыя тэарэтычна павінна была б імгненна спыніцца. Пры набліжэнні да абсалютнага нуля навукоўцы могуць значна запаволіць рэакцыі, якія звычайна адбываюцца за долі секунды, што дазваляе ім назіраць і нават маніпуляваць працэсам гэтых рэакцый.
Навука пры звышнізкіх тэмпературах дазваляе зазірнуць у такія з'явы, як квантавая механіка, якія інакш былі б недаступныя пры звычайных тэмпературах. Менавіта таму гэтая вобласць так цікавая навукоўцам: яна дазваляе ім вывучаць і назіраць некаторыя фундаментальныя механізмы існавання часціц і рэакцый у Сусвеце, але такім чынам, каб мы маглі гэта ўбачыць.
Самае халоднае месца ў Сусвеце
Усім вядома, што ў глыбінях космасу неверагодна холадна, але калі гаворка ідзе аб абсалютным нулі, там проста цёпла. У самых цёмных кутках космасу тэмпература дасягае 2,7 Кельвіна. Вядома, гэта заб'е любую жывую істоту, паколькі гэта -270,45 °C або -453,8 °F, але да абсалютнага нуля яшчэ далёка.
Вядома, у космасе тэмпература неаднародная. Зоркі, такія як наша Сонца, награваюць паветра пры набліжэнні, таму, каб атрымаць нізкія тэмпературы, трэба знайсці месца, размешчанае ў глушы.
У 5000 светлавых гадах ад Зямлі знаходзіцца так званая туманнасць Бумеранг. Яна складаецца з пылу і іянізавальных газаў і з'яўляецца, мабыць, самым лядоўням прыродным месцам, якое вы калі-небудзь зможаце знайсці. У цэнтры туманнасці памірае чырвоны гігант, і паколькі ён скідае ўвесь свой зорны матэрыял з астранамічна высокай хуткасцю, прыкладна ў 250 разоў хутчэй, чым знішчальнік F-16, ён таксама імкліва губляе цеплыню.
Тэмпература туманнасці, паводле вымярэнняў, складае прыкладна на адзін градус Цэльсія вышэй за абсалютная нуль. Для параўнання, самая нізкая зарэгістраваная тэмпература на Зямлі была зафіксаваная ў 1983 годзе і склала -89,2 ° C ці -128,6 ° F. Гэта пякучыя 183,95 Кельвіна. Гэта тэмпература была зафіксавана на станцыі Усход у Антарктыдзе. Гэта азначае, што тэмпература ў туманнасці прыкладна ў тры разы ніжэй, чым калі-небудзь была на Зямлі, што гучыць значна менш жахліва, чым ёсць насамрэч.
Ці можна стварыць абсалютны нуль у лабараторыі?
Адна з цікавых асаблівасцяў абсалютнага нуля заключаецца ў тым, што навукоўцам удалося наблізіцца да яго даволі блізка ў лабараторных умовах. Некаторыя навуковыя канцэпцыі павінны заставацца вельмі тэарэтычнымі. Нікому яшчэ не ўдалося стварыць чорную дзірку ці распрацаваць падарожжа ў часе. Але калі вам патрэбен абсалютны нуль, то лепшае, чаго нам удалося дасягнуць на дадзены момант, - гэта 38 пікокельвінаў, што складае 38 трыльённых доляй градусу вышэй абсалютнага нуля. Гэтага ўдалося дабіцца, скідаючы намагнічаны рубідыевы газ уніз па вежы ў нямецкай лабараторыі, менавіта так зараз і атрымліваюць вельмі халодныя рэчывы.
Хоць 38 трыльённых дзеляў гучыць неверагодна блізка, хутчэй за ўсё, мы ніколі не наблізімся да гэтага значэння нашмат бліжэй. Прынята лічыць, што абсалютнага нуля ніколі нельга дасягнуць з-за квантавых флуктуацый. Тэрмадынаміка таксама не дазваляе дасягнуць абсалютна самай нізкай тэмпературы, і мы крыху пагаворым пра гэта пазней.
Што да чалавецтва, то яшчэ адной перашкодай з'яўляецца недасканаласць тэхналогій. У нейкі момант, відавочна, за межамі 38 трыльённых дзеляў градусу, мы проста не можам вымераць з дастатковай дакладнасцю, каб з упэўненасцю сказаць, што дасягнулі ідэальнага абсалютнага нуля. Абсалютны нуль і драбнюткая яго доля былі б неадрозныя ад паказанняў нашых прыбораў.
Праблема з вымяральнымі прыборамі настолькі сур'ёзная, што выказвалася меркаванне: нават калі б мы змаглі дасягнуць абсалютнага нуля, мы маглі б нават не ўсведамляць гэтага з-за патэнцыйнай недакладнасці. Для гэтага патрэбен тэрмометр, здольны вымяраць тэмпературу з бясконцай дакладнасцю, а такога, відавочна, не існуе, таму мы ніколі не зможам атрымаць неабходныя нам дакладныя вымярэнні.
На шчасце, многія навукоўцы, якія працуюць у гэтай галіне даследаванняў, насамрэч не імкнуцца да дасягнення абсалютнага нуля. Менавіта тэмпературы, блізкія да абсалютнага нуля, уяўляюць найвялікую цікавасць, паколькі яны ўсё яшчэ дапушчаюць некаторыя вельмі малаважныя рухі атамаў. Рэакцыі ўсё яшчэ можна назіраць, тады як пры дасягненні абсалютнага нуля назіраць было б практычна няма чаго. Гэта фізічны аналаг назапашвання вялікай колькасці рэчыва без якога-небудзь выніку.
Хоць канцэпцыя абсалютнага нуля пышная, яна застаецца ў вобласці тэорыі, хоць некаторыя да гэтага часу спрачаюцца аб тым, ці можна яе дасягнуць тэхнічна. Аднак навука не заўсёды згодна з гэтым сцвярджэннем.
Чаму гэта немагчыма
Ніл Дэграс Тайсан прапанаваў некалькі тлумачэнняў таго, чаму дасягненне абсалютнага нуля насамрэч немагчыма. Яго першы аргумент заснаваны на прынцыпе цеплаабмену, і ён прывёў у прыклад халадзільнік. Вы змяшчаеце прадукты пакаёвай тэмпературы ў халадзільнік, і халоднае паветра ўсярэдзіне халадзільніка адбірае ў іх цеплыня. У рэшце рэшт, цяпло існуе, а холад - гэта проста яго адсутнасць. Вы адымаеце гэтую цеплавую энергію ў чагосьці, і яно становіцца халодным; вам не трэба нічога да гэтага дадаваць.
Такім чынам, халаднейшае паветра ў халадзільніку адводзіць цеплыню ад цяплейшай ежы, пакуль не будзе дасягнута агульная тэмпература халадзільніка, маразільнай камеры ці любога іншага месца, дзе адбываецца страта цяпла. Але па шкале Кельвіна ўзнікае праблема з абсалютным нулём. Каб адвесці апошнюю кроплю цяпла ад чаго-небудзь і дасягнуць абсалютнага нуля, вам трэба нешта халадней абсалютнага нуля (гэта пачынаецца прыкладна з адзнакі 8:20 у відэа). Вам трэба нешта халаднейшае, чым тое, што здольна адвесці гэтую апошнюю, амаль невымерную колькасць цяпла. Але як такое ўвогуле можа існаваць?
Тайсан працягвае тлумачыць другую праблему. Згодна з квантавай фізіцы, ніколі нельга дакладна ведаць, дзе знаходзяцца атамы ў часціцы. Квантавыя ваганні павінны існаваць увесь час, дазваляючы гэтым атамам вібраваць, нават зусім няшмат. Павінна існаваць квантавая мяжа абсалютнага нуля, якая не дазваляе атамам цалкам спыніцца, таму што, калі б яны спыніліся, можна было б дакладна вызначыць месцазнаходжанне любога атама, а гэта проста не працуе з фізікай.
У 1912 годзе было вылучана тэарэтычнае меркаванне аб немагчымасці дасягнення абсалютнага нуля за канчатковы прамежак часу. Гэта вядома як прынцып недасяжнасці. Гэта звязана з першай тэзай Тайсана аб пошуку спосабу паменшыць цеплавую напругу на апошнюю долю градуса, каб дасягнуць абсалютнага нуля.
Эксперыментамі было паказана, што для астуджэння чаго-небудзь да абсалютнага нуля патрабуецца альбо бясконцая праца, альбо бясконца вялікі рэзервуар для астуджэння. Па меры набліжэння чаго-небудзь да абсалютнага нуля яго энтрапія таксама набліжаецца да нуля, і, паводле фізікі, немагчыма падрыхтаваць сістэму да стану з нулявой энтрапіяй за канчатковы лік крокаў.
У адным эксперыменце было ўстаноўлена, што абсалютны нуль тэарэтычна дасягальны, але для гэтага неабходныя тры кампаненты. Першы - час, другі - складанасць, а трэці - энергія. Праблема, выяўленая ў гэтым эксперыменце, заключаецца ў тым, што для дасягнення абсалютнага нуля неабходна наяўнасць аднаго з гэтых кампанентаў у бясконцай колькасці. Пакуль гэта магчыма, можна дасягнуць мэты. Магчыма, вы разумееце, што гэта яшчэ адзін спосаб сказаць, што дасягнуць гэтага немагчыма.
Што б адбылося тэарэтычна?
Вядома, што пры звышнізкіх тэмпературах, якія мяжуюць з абсалютным нулём, адбываецца адукацыя базэ-эйнштэйнаўскага кандэнсату (БЭК). БЭК лічыцца іншым станам матэрыі, але існуе ён толькі пры такіх звышнізкіх тэмпературах. Ён утвараецца, калі газ пераахалоджваецца, і атамы або субатамныя часціцы зліваюцца ў квантава-механічную сутнасць. Гэта гучыць вельмі навукова-фантастычна, але ў сутнасці гэта азначае, што атамы дзейнічаюць як адзіная хвалевая функцыя, як быццам яны проста аб'ядналіся ў адзін суператам.
Эйнштэйн, выкарыстоўваючы формулы Бозэ, выказаў меркаванне, што гэта адбудзецца за шмат дзесяцігоддзяў да таго, як гэта было даказана на практыцы, але гэта падпарадкоўваецца правілам квантавай механікі. Аднак гэта можа адбывацца толькі пры нізкіх тэмпературах, паколькі асобныя атамы павінны знаходзіцца пры настолькі нізкай энергіі, што пачынаюць рухацца разам.
Калі б мы змаглі пераадолець гэты стан базэ-эйнштэйнаўскага кандэнсату і дасягнуць сапраўднага абсалютнага нуля, то матэрыя страціла б усю сваю кінетычную энергію. Калі б кінэтычнай энергіі не было, а атамы былі б замарожаныя, тое, што вы назіралі, больш нельга было б лічыць матэрыяй. На дадзены момант фізіка ў тым выглядзе, у якім мы яе разумеем, не дапускае, каб матэрыя проста перастала быць матэрыяй.
Іншыя артыкулы, якія могуць вас зацікавіць