WhatsAppRedditБөлісуЭлектрондық поштаTweetPin0 Бөлісулер
Әлем шектен тыс жағдайларға толы. Ең жылдам, ең көне, ең алыс - табиғаттың жаратылыстарына таңданып, зерттеп, таңданатын сансыз нәрселер бар. Ал ең суық жерлер туралы не деуге болады? Сіз абсолютті нөл туралы естіген шығарсыз, бірақ оған жеткенде не болатынын білесіз бе? Немесе неге ештеңе бұдан суық бола алмайды?
Абсолют нөлдің негізгі тұжырымдамасы 1702 жылы ашылды. Француз өнертапқышы Гийом Амонтон ауа қысымы мен температураның өзара байланысты екенін түсінгеннен кейін ең төменгі температураның болуы туралы теория ұсынды. Оның тәжірибелері қысымның төмендей алмайтын нүктесі болуы керек деген қорытындыға әкелді, сондықтан температура төмендей алмайды.
Амонтонс ең төменгі температураны -240°C деп ұсынды. Оның атом қозғалысын түсінбейтінін және оның ұсынысы 1700 жылдардың басына жататынын ескерсек, оның шындыққа қаншалықты жақын келгені таңқаларлық.
Тек 1848 жылы ғана Лорд Кельвин деген атпен танымал физик Уильям Томсон шкаланы жеткілікті дәлдікпен анықтап, өзінің аттас Кельвин шкаласын жасады. Оның бір мақсаты - мағыналы және теріс сандарға деген қажеттілікті жоятын абсолютті температура шкаласын жасау болды. Нөлден бастап, тек жоғары қарай жылжуға болады.
Әрине, күнделікті өмірде көпшілігіміз үшін Кельвин шкаласы практикалық емес және ауыр болып көрінеді. Өйткені, Цельсий шкаласы әлдеқайда логикалық, себебі ол қарапайым адамдарға түсінікті судың қайнау және қату температураларына негізделген.
Бақытымызға орай, ғалымдар тек көңіл көтеру үшін экстремалды температурамен үнемі тәжірибе жасап отырады, сондықтан бұл тақырып бойынша көптеген зерттеулер жүргізілуде. Өзіңізге жылы сусын алыңыз, сонда біліп көрейік.
Абсолют нөл физикасы
Адамзаттың фут, арқан, акр және сол сияқты өлшем бірліктерінің өте ерекше тарихы болғандықтан, біз біркелкі немесе логикалық нәрсе ойлап тапқанша біраз уақыт кетті. Цельсий және Фаренгейт шкаласы танымал болды, бірақ бұл нәрселерді байыпты қабылдайтын Кельвин шкаласы. Абсолют нөл 0 Кельвинді, яғни мүмкін болатын ең төменгі температураны білдіреді. Бұл -273°C немесе -459,67°F-қа сәйкес келеді.
Суық - кез келген заттың салыстырмалы қасиеті, ол оның атомдарының қозғалысымен байланысты. Міне, сондықтан оның шегі бар және ең төменгі температураға жетуге болады - абсолютті нөл. Бұл заттың атомдары қозғалысын толығымен тоқтататын немесе оған мүмкіндігінше жақын келетін нүкте, ал термодинамикалық жүйенің энергиясы ең төменгі болады.
Бұл атомдардың абсолют нөлде қозғалысы толығымен тоқтады дегенді білдірмейді, тек атом энергиясын мүлдем беру мүмкін емес дегенді білдіреді. Тіпті ең маңызды емес, әрең өлшенетін жылу мөлшері де бөлінбейді. Жылу атомдардың қозғалысы арқылы бөлінетіндіктен және бұл атомдар бұл энергияны өздері жанасатын басқа атомдарға беретіндіктен, абсолют нөлде жылу алмасу болмайды.
Көпшілігіміз үшін абсолютті нөл – бұл ұсақ-түйек нәрсе. Біз оны нақты өмірде ешқашан таба алмаймыз және егер тапсақ, оны бағалауға көп уақытымыз болмайды, себебі ол бізді тез өлтіреді.
Зертханалық жағдайларда абсолютті нөлге іс жүзінде қол жеткізілгенде, ғалымдар физикадағы айтарлықтай өзгерістерді байқады. Мысалы, өте төмен температурада кейбір заттар гравитацияға қарсы тұрып, төмен емес, жоғары қарай ағады. Химиялық реакциялар да суыққа бағынуға мәжбүр.
Абсолют нөлде кез келген химиялық реакция теориялық тұрғыдан бірден тоқтауы керек. Абсолют нөлге жақындаған сайын ғалымдар әдетте секундтың бөліктерінде жүретін реакцияларды айтарлықтай баяулатып, реакция процесін бақылауға және тіпті басқаруға мүмкіндік береді.
Ультрасуық температура туралы ғылым бізге кванттық механика сияқты құбылыстарды қарапайым температурада қол жеткізу мүмкін емес құбылыстарға зерттеуге мүмкіндік береді. Міне, сондықтан да бұл сала ғалымдар үшін соншалықты қызықты: ол оларға Әлемдегі бөлшектер мен реакциялардың бар болуының негізінде жатқан кейбір негізгі механизмдерді зерттеуге және бақылауға мүмкіндік береді, бірақ бізге көрінетіндей етіп.
Әлемдегі ең суық жер
Ғарыш тереңдігінің өте суық екенін бәрі біледі, бірақ абсолютті нөлге келгенде, ол жай ғана жылы. Ғарыштың ең қараңғы жерлерінде температура 2,7 Кельвинге жетеді. Әрине, бұл кез келген тірі жанды өлтіреді, себебі ол -270,45°C немесе -453,8°F, бірақ абсолютті нөлден әлі де алыс.
Әрине, ғарыштағы температура біркелкі емес. Күн сияқты жұлдыздар жақындаған сайын ауаны қыздырады, сондықтан төмен температураға жету үшін жабайы табиғаттан орын табу керек.
Жерден 5000 жарық жылы қашықтықта Бумеранг тұмандығы деп аталатын тұмандық орналасқан. Ол шаң мен иондаушы газдардан тұрады және сіз кездестірген ең суық табиғи орын болуы мүмкін. Тұмандықтың орталығында қызыл алып өліп жатыр, және ол өзінің барлық жұлдыздық материалын астрономиялық жоғары жылдамдықпен, F-16 жойғыш ұшағынан шамамен 250 есе жылдам жоғалтқан кезде, ол жылуды тез жоғалтуда.
Тұмандықтың температурасы абсолютті нөлден шамамен бір градус Цельсийге жоғары екені өлшенді. Салыстыру үшін, Жердегі ең суық температура 1983 жылы -89,2°C (-128,6°F) болды. Бұл 183,95 Кельвинді құрайды. Бұл температура Антарктидадағы Восток станциясында тіркелді. Бұл тұмандықтағы температура Жердегіден шамамен үш есе төмен екенін білдіреді, бұл шын мәніндегіден әлдеқайда қорқынышты емес сияқты.
Зертханада абсолютті нөлді жасау мүмкін бе?
Абсолютті нөлдің қызықты тұстарының бірі - ғалымдар зертханалық жағдайда оған өте жақын келе алды. Кейбір ғылыми тұжырымдамалар өте теориялық болып қалуы керек. Әлі ешкім қара құрдым жасауда немесе уақыт саяхатын ойлап табуда табысқа жете алмады. Бірақ егер сіз абсолютті нөлді іздесеңіз, біз әзірге қол жеткізген ең жақсы көрсеткіш - 38 пикельвин, бұл абсолютті нөлден 38 триллионнан бір градусқа жоғары. Бұған неміс зертханасындағы мұнараға магниттелген рубидий газын тастау арқылы қол жеткізілді; қазір өте суық заттар осылай өндіріледі.
Триллионға 38 бөлік өте жақын естілгенімен, біз бұл мәнге ешқашан жақындай алмаймыз. Кванттық ауытқуларға байланысты абсолютті нөлге ешқашан жету мүмкін емес деп жалпы қабылданған. Термодинамика сонымен қатар бізге абсолютті ең төменгі температураға жетуге кедергі келтіреді, және біз бұл туралы кейінірек талқылаймыз.
Адамзатқа келетін болсақ, тағы бір кедергі - технологияның жетілмегендігі. Бір сәтте, шамасы, 38 триллионнан бір градустан асатындай, біз абсолютті нөлге жеттік деп сенімді түрде айту үшін жеткілікті дәлдікпен өлшей алмаймыз. Абсолютті нөл және оның ең кіші бөлшегі біздің аспаптарымыздың көрсеткіштерінен ажыратылмайтын еді.
Өлшеу құралдарының мәселесі соншалықты күрделі, тіпті абсолютті нөлге қол жеткізе алсақ та, ықтимал дәлсіздікке байланысты оны байқамауымыз мүмкін деген болжам бар. Бұл үшін температураны шексіз дәлдікпен өлшей алатын термометр қажет болады, ал мұндай құрылғы жоқ екені анық, сондықтан біз ешқашан қажетті дәл өлшемдерді ала алмаймыз.
Бақытымызға орай, осы зерттеу саласында жұмыс істейтін көптеген ғалымдар шын мәнінде абсолютті нөлге ұмтылмайды. Абсолютті нөлге жақын температуралар ең үлкен қызығушылық тудырады, себебі олар әлі де өте аз атомдық қозғалыстарға мүмкіндік береді. Реакцияларды әлі де бақылауға болады, ал абсолютті нөлде байқалатын ештеңе болмайды. Бұл ешқандай әсер етпестен көп мөлшерде зат жинаудың физикалық баламасы.
Абсолютті нөл ұғымы керемет болғанымен, ол теориялық тұрғыдан әлі де маңызды, және кейбіреулер оған техникалық тұрғыдан қол жеткізуге бола ма деген сұрақ әлі де туындайды. Дегенмен, ғылым бұл тұжырыммен әрқашан келісе бермейді.
Неліктен бұл мүмкін емес?
Нил деГрасс Тайсон абсолютті нөлге жетудің неліктен мүмкін еместігінің бірнеше түсіндірмесін ұсынды. Оның алғашқы дәлелі жылу беру принципіне негізделген және ол тоңазытқышты мысалға келтірді. Сіз бөлме температурасындағы тағамды тоңазытқышқа саласыз, ал тоңазытқыштың ішіндегі суық ауа одан жылуды кетіреді. Өйткені, жылу бар, ал суық оның болмауы ғана. Сіз бұл жылу энергиясын бір нәрседен алып тастайсыз, сонда ол суыққа айналады; оған ештеңе қосудың қажеті жоқ.
Сонымен, тоңазытқыштағы суық ауа тоңазытқыштың, мұздатқыштың немесе жылу жоғалып жатқан басқа жердің жалпы температурасына жеткенше жылы тағамнан жылуды кетіреді. Бірақ Кельвин шкаласы бойынша абсолютті нөлмен проблема бар. Кез келген нәрседен жылудың соңғы тамшысын алып тастап, абсолютті нөлге жету үшін сізге абсолютті нөлден суық нәрсе қажет (бұл бейнеде шамамен 8:20 белгісінен басталады). Соңғы, өлшеусіз жылу мөлшерін кетіру үшін сізге одан суық нәрсе қажет. Бірақ мұндай нәрсе қалай болуы мүмкін?
Тайсон екінші мәселені түсіндіруді жалғастыруда. Кванттық физикаға сәйкес, бөлшектегі атомдардың қай жерде екенін дәл білу ешқашан мүмкін емес. Кванттық ауытқулар үнемі болуы керек, бұл атомдардың тіпті аздап болса да дірілдеуіне мүмкіндік береді. Атомдардың толық тоқтап қалуына жол бермейтін абсолютті нөлге тең кванттық шегі болуы керек, себебі егер олар тоқтап қалса, кез келген атомның орнын дәл анықтауға болады, және бұл физикаға сәйкес келмейді.
1912 жылы шектеулі уақыт аралығында абсолютті нөлге жету мүмкін еместігі туралы теориялық гипотеза ұсынылды. Бұл қол жетімсіздік принципі ретінде белгілі. Ол Тайсонның абсолютті нөлге жету үшін жылу кернеуін градустың соңғы бөлігіне азайту жолын табу туралы алғашқы тезистен туындайды.
Тәжірибелер көрсеткендей, бір нәрсені абсолютті нөлге дейін салқындату үшін шексіз жұмыс немесе шексіз үлкен салқындату резервуары қажет. Бір нәрсе абсолютті нөлге жақындаған сайын, оның энтропиясы да нөлге жақындайды, ал физикаға сәйкес, жүйені нөлдік энтропия күйіне шектеулі қадамдармен дайындау мүмкін емес.
Бір тәжірибе абсолютті нөлге теориялық тұрғыдан қол жеткізуге болатынын анықтады, бірақ ол үш компонентті қажет етеді: уақыт, күрделілік және энергия. Бұл тәжірибе көрсеткендей, абсолютті нөлге жету үшін осы компоненттердің біреуінің шексіз мөлшері қажет. Мүмкін болғанша, мақсатқа жетуге болады. Сіз мұның мүмкін емес деп айтудың тағы бір жолы екенін түсінуіңіз мүмкін.
Теориялық тұрғыдан не болар еді?
Абсолют нөлге жақын аса төмен температурада Бозе-Эйнштейн конденсаты (БЭК) пайда болатыны белгілі. БЭК заттың балама күйі болып саналады, бірақ ол тек осындай аса төмен температурада ғана болады. Ол газ аса салқындаған кезде пайда болады, бұл атомдардың немесе субатомдық бөлшектердің кванттық механикалық бірлікке бірігуіне әкеледі. Бұл өте ғылыми-фантастикалық естіледі, бірақ негізінен бұл атомдардың жай ғана бір суператомға біріккендей бір толқындық функция ретінде әрекет ететінін білдіреді.
Эйнштейн Бозе формулаларын қолдана отырып, мұның іс жүзінде көрсетілмес бұрын ондаған жылдар бұрын болатынын болжаған, бірақ ол кванттық механика ережелеріне бағынады. Дегенмен, бұл тек төмен температурада ғана болуы мүмкін, себебі жеке атомдар бірге қозғала бастайтындай төмен энергияда болуы керек.
Егер біз Бозе-Эйнштейн конденсат күйінен асып түсіп, шынайы абсолютті нөлге жетсек, материя өзінің барлық кинетикалық энергиясын жоғалтар еді. Егер кинетикалық энергия болмаса және атомдар қатып қалған күйде болса, сіз байқаған нәрсе енді материя деп саналмас еді. Қазіргі уақытта физика, біз түсінгендей, материяның жай ғана материя болудан қалуына жол бермейді.
Сізді қызықтыруы мүмкін басқа мақалалар