Що відбувається за абсолютного нулі температури. Абсолютний нуль температури
Коли у зведенні погоди пророкують температуру близько нуля, на ковзанку йти не варто: лід танутиме. Температура танення льоду прийнята за нуль градусів за шкалою Цельсія - найпоширенішою температурною шкалою.
Нам чудово знайомі негативні градуси шкали Цельсія - градуси<ниже
нуля>, градуси холоду. Найнижча температура Землі була зареєстрована Антарктиді: -88,3°Ц. Поза Землею можливі ще більш низькі температури: на поверхні Місяця в місячну північ буває до - 160°Ц.
Але ніде не можуть існувати скільки завгодно низькі температури. Гранично низька температура – абсолютний нуль – за шкалою Цельсія відповідає – 273,16°.
Від абсолютного нуля бере початок абсолютна температурна шкала, шкала Кельвіна. Лід тане при 273,16 ° Кельвіна, а вода кипить при 373,16 ° К. Таким чином, градус К дорівнює градусуЦ. Але за шкалою Кельвіна всі температури позитивні.
Чому ж 0 ° К - межа холоду?
Тепло - хаотичний рух атомів та молекул речовини. Коли речовину охолоджують, у неї забирають теплову енергіюі при цьому безладний рух частинок слабшає. Зрештою, при сильному охолодженні, теплова<пляска>частинок майже повністю припиняється. Цілком завмерли б атоми і молекули при температурі, яка і прийнята за абсолютний нуль. Відповідно до принципів квантової механіки, при абсолютному нулі припинилося б саме тепловий рухчастинок, але самі частки не завмерли б, оскільки вони можуть перебувати у спокої. Таким чином, при абсолютному нулі частинки все ж таки повинні зберігати якийсь рух, який називають нульовим.
Однак охолодити речовину до температури нижче абсолютного нуля - задум настільки ж безглуздий, як, скажімо, намір<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Більше того, навіть досягти точного абсолютного нуля практично також неможливо. До нього можна лише наблизитись. Тому що ніякими способами не можна відібрати у речовини абсолютно всю теплову енергію. Деяка частка теплової енергії залишається при найглибшому охолодженні.
Як досягають наднизьких температур?
Заморозити речовину складніше, аніж нагріти. Це видно хоча б із порівняння пристрою печі та холодильника.
У більшості побутових та промислових холодильників тепло віднімається завдяки випаровуванню особливої рідини - фреону, який циркулює по металевих трубках. Секрет у тому, що фреон може перебувати в рідкому стані лише за досить низької температури. У холодильній камері за рахунок тепла камери він нагрівається і кипить, перетворюючись на пару. Але пара стискається компресором, зріджується і надходить у випарник, заповнюючи спад фреону, що випаровується. Енергія витрачається працювати компресора.
В апаратах глибокого охолодження носієм холоду служить надхолодна рідина – рідкий гелій. Безбарвний, легкий (у 8 разів легший за воду), він кипить під атмосферним тискомпри 4,2°К, а вакуумі - при 0,7°К. Ще нижчу температуру дає легкий ізотопгелію: 0,3 ° До.
Влаштувати гелієвий холодильник, що постійно діє, досить складно. Дослідження проводяться просто у ваннах з рідким гелієм. А щоб скрапити цей газ, фізики користуються різними прийомами. Наприклад, розширюють попередньо охолоджений і стислий гелій, випускаючи його через тонкий отвір у вакуумну камеру. При цьому температура ще знижується і деяка частина газу перетворюється на рідину. Ефективніше не лише розширювати охолоджений газ, а й змусити його виконувати роботу - рухати поршень.
Отриманий рідкий гелій зберігають у спеціальних термосах – судинах Дьюара. Вартість цієї холодної рідини (єдиної не замерзаючої у абсолютного нуля) виходить досить високою. Проте рідкий гелій у наші дні використовується дедалі ширше, як у науці, а й у різних технічних пристроях.
Найнижчих температур вдалося досягти іншим способом. Виявляється, молекули деяких солей, наприклад хромокалієвих галунів, можуть повертатися вздовж силових. магнітних ліній. Таку сіль попередньо охолоджують рідким гелієм до 1°К і поміщають у сильне магнітне поле. При цьому молекули повертаються вздовж силових ліній, А тепло, що виділилося, відбирається рідким гелієм. Потім магнітне поле різко знімають, молекули знову повертаються в різні сторони, а витрачена
на це робота веде до подальшого охолодження солі. Так отримали температуру 0,001° К. Подібним у принципі методом, застосовуючи інші речовини, можна отримати ще нижчу температуру.
Найнижча температура, отримана поки Землі, дорівнює 0,00001° До.
Речовина, заморожена до наднизьких температур у ваннах із рідким гелієм, помітно змінюється. Гума стає крихкою, свинець - твердим, як сталь, і пружним, багато сплавів збільшують міцність.
Своєрідно поводиться сам рідкий гелій. При температурі нижче 2,2° До він набуває небувале для звичайних рідин властивість - надплинність: деяка його частина повністю втрачає в'язкість і без будь-якого тертя протікає крізь вузькі щілини.
Явище це, відкрите 1937 р. радянським фізикомакадеміком П. JI. Капицею, потім було пояснено академіком JI. Д. Ландау.
Виявляється, при понад низьких температурахпочинають помітно позначатися квантові закониповедінки речовини Як вимагає один із таких законів, від тіла до тіла енергія може передаватися лише цілком певними порціями-квантами. У рідкому гелії так мало квантів тепла, що на всі атоми їх не вистачає. Частина рідини, позбавлена квантів тепла, перебуває при абсолютному нулі температури, її атоми зовсім не беруть участь у безладному тепловому русі і не взаємодіють зі стінками судини. Ця частина (її назвали гелієм-Н) і має надплинність. Зі зниженням температури гелію-П стає все більше, і при абсолютному нулі весь гелій перетворився б на гелій-Н.
Надплинність зараз вивчена дуже докладно і навіть знайшла корисне практичне застосування: з її допомогою вдається розділяти ізотопи гелію
Біля абсолютного нуля надзвичайно цікаві зміни відбуваються з електричними властивостямидеяких матеріалів.
У 1911 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес зробив несподіване відкриття: виявилося, що при температурі 4,12° До ртуті повністю зникає електричний опір. Ртуть стає надпровідником. Електричний струм, наведений у надпровідному кільці, не згасає і може текти майже завжди.
Над таким кільцем надпровідна кулька паритиме в повітрі і не падатиме, ніби казкова<гроб Магомета>, тому що його вага компенсується магнітним відштовхуванням між кільцем і кулькою. Адже струм, що незагасає, в кільці створить магнітне поле, а воно, у свою чергу, наведе в кульці електричний струм і разом з ним протилежно спрямоване магнітне поле.
Крім ртуті, надпровідністю біля абсолютного нуля мають олово, свинець, цинк, алюміній. Ця властивість виявлена у 23 елементів та більше ста різних сплавів та інших хімічних сполук.
Температури появи надпровідності (критичні температури) становлять досить широкий інтервал - від 0,35 ° К (гафній) до 18 ° К (сплав ніобій-олово).
Явище надпровідності, як і понад-
плинності, докладно вивчено. Знайдено залежності критичних температурвід внутрішньої структури матеріалів та зовнішнього магнітного поля. Розроблено глибоку теорію надпровідності (важливий внесок внесено радянським вченим академікомН. Н. Боголюбовим).
Сутність цього парадоксального явища знову ж таки суто квантова. При наднизьких температурах електрони в
надпровіднику утворюють систему попарно зв'язаних частинок, які не можуть віддавати енергію кристалічних ґрат, витрачати кванти енергії на її нагрівання. Пари електронів рухаються, як би<танцуя>, між<прутьями решетки>- іонами та обходять їх без зіткнень та передачі енергії.
Надпровідність все ширше використовується у техніці.
Входять до практики, наприклад, надпровідні соленоїди - котушки з надпровідника, занурені в рідкий гелій. У них скільки завгодно довго може зберігатися одного разу наведений струм і, отже, магнітне поле. Воно може досягати гігантської величини – понад 100 ТОВ Ерстед. У майбутньому, безперечно, з'являться потужні промислові надпровідні пристрої - електродвигуни, електромагніти і т.д.
У радіоелектроніці чималу роль починають грати надчутливі підсилювачі та генератори електромагнітних хвиль, які особливо добре діють у ваннах з рідким гелієм, - там повністю зникають внутрішні<шумы>апаратури. В електронно-обчислювальній техніці блискуче майбутнє обіцяють малопотужним надпровідним перемикачам - кріотронам (див. ст.<Пути электроники>).
Неважко уявити собі, наскільки привабливо було б просунути дію подібних приладів в область вищих, доступніших температур. У Останнім часомвідкривається надія створення полімерних плівкових надпровідників. Своєрідний характер електропровідності в таких матеріалах обіцяє блискучу можливість зберегти надпровідність навіть при кімнатних температурах. Вчені наполегливо шукають шляхи здійснення цієї надії.
А тепер заглянемо в царство найгарячішого, що є на світі, - у надра зірок. Туди, де температури сягають мільйонів градусів.
Безладний тепловий рух у зірках настільки інтенсивний, що цілі атоми там існувати не можуть: вони руйнуються у незліченних зіткненнях.
Така сильно розпечена речовина тому не може бути ні твердою, ні рідкою, ні газоподібною. Воно перебуває у стані плазми, тобто суміші електрично заряджених<осколков>атомів - атомних ядер та електронів.
Плазма – своєрідний стан речовини. Оскільки її частинки електрично заряджені, вони чуйно підкоряються електричним та магнітним силам. Тому близьке сусідство двох атомних ядер (вони несуть позитивний заряд) - явище рідкісне. Лише за високих щільностяхі величезних температурах, що налітають один на одного атомні ядраздатні зблизитися впритул. Тоді відбуваються термоядерні реакції - джерело енергії зірок.
Найближча до нас зірка – Сонце складається головним чином із водневої плазми, яка розпечена у надрах світила до 10 млн. градусів. За таких умов тісні зближення швидких водневих ядер – протонів хоч і рідко, але трапляються. Іноді протони, що зблизилися, вступають у взаємодію: подолавши електричне відштовхування, вони потрапляють у владу гігантських. ядерних силтяжіння, стрімко<падают>один на одного і зливаються. Тут відбувається миттєва перебудова: замість двох протонів з'являються дейтрон (ядро важкого ізотопу водню), позитрон та нейтрино. Звільняється енергія 0,46 млн. електрон-вольт (МЕВ).
Кожен окремий сонячний протон може вступити в таку реакцію в середньому один раз за 14 млрд. років. Але протонів у надрах світила так багато, що то тут, то там відбувається ця малоймовірна подія, – і горить наша зірка своїм рівним, сліпучим полум'ям.
Синтез дейтронів лише перший крок сонячних термоядерних перетворень. Новонароджений дейтрон дуже скоро (у середньому через 5,7 сек) з'єднується ще з одним протоном. Виникає ядро легкого гелію та гамма-квант електромагнітного випромінювання. Звільняється 5,48 МеВ енергії.
Нарешті, в середньому раз на мільйон років можуть зійтися і з'єднатися два ядра легенігелію. Тоді утворюється ядро звичайного гелію (альфа-частка) і відщеплюються два протони. Виділяється 12,85 МеВ енергії.
Цей триступінчастий<конвейер>термоядерних реакцій не єдиний. Існує й інший ланцюжок ядерних перетворень, швидших. У ній беруть участь (не витрачаючись) атомні ядра вуглецю та азоту. Але в обох випадках з водневих ядер синтезуються альфа-частинки. Фігурально кажучи, воднева плазма Сонця<сгорает>, перетворюючись на<золу>- Плазму гелію. І у процесі синтезу кожного грама гелієвої плазми виділяється 175 тис. кВт-год енергії. Велика кількість!
Щомиті Сонце випромінює 4 1033 ерг енергії, втрачаючи у вазі 4 1012 г (4 млн. т) речовини. Але повна маса Сонця 2 1027 т. Значить, за мільйон років завдяки випромінюванню Сонце<худеет>лише на одну десятимільйонну частину своєї маси. Ці цифри промовисто ілюструють ефективність термоядерних реакцій та гігантську калорійність сонячного.<горючего>- Водню.
Термоядерний синтез, мабуть, головне джерелоенергії всіх зірок. При різних температурахта щільності зоряних надр здійснюються різні типи реакцій. Зокрема, сонячна<зола>-ядра гелію - при 100 млн. градусів сама стає термоядерним<горючим>. Тоді з альфа-часток можуть синтезуватися ще важчі атомні ядра - вуглецю і навіть кисню.
Як вважають багато вчених, вся наша Метагалактика в цілому теж плід термоядерного синтезу, який проходив за температури в мільярд градусів (див. ст.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Надзвичайна калорійність термоядерного<горючего>спонукала вчених домагатися штучного здійснення реакцій ядерного синтезу.
<Горючего>- Ізотопів водню на нашій планеті чимало. Наприклад, надважкий водень тритій можна отримати з металу літію в ядерних реакторах. А важкий водень – дейтерій входить до складу важкої води, яку можна видобути з звичайної води.
Важкий водень, витягнутий із двох склянок звичайної води, дав би в термоядерному реакторістільки енергії, скільки зараз дає спалювання бочки першосортного бензину.
Труднощі в тому, щоб попередньо нагріти<горючее>до температур, при яких воно здатне спалахнути могутнім термоядерним вогнем.
Вперше це завдання було вирішено у водневій бомбі. Ізотопи водню там підпалюються вибухом атомної бомбищо супроводжується нагріванням речовини до багатьох десятків мільйонів градусів. В одному з варіантів водневої бомби термоядерним пальним служить хімічне з'єднанняважкого водню з легким літієм - дейтерид легкого л і т і я. Цей білий порошок, схожий на столову сіль,<воспламеняясь>від<спички>, Якою служить атомна бомба, миттєво вибухає і створює температуру в сотні мільйонів градусів.
Щоб порушити мирну термоядерну реакціюТреба передусім навчитися без послуг атомної бомби розігрівати малі дози досить щільної плазми ізотопів водню до температур у сотні мільйонів градусів. Ця проблема - одна з найважчих у сучасній прикладній фізиці. Над нею вже багато років працюють вчені з усього світу.
Ми вже говорили, що саме хаотичний рух частинок створює нагрітість тіл, причому середня енергіяїх безладний рух і відповідає температурі. Нагріти холодне тіло - означає будь-яким способом створити цей безлад.
Уявіть, що дві групи бігунів стрімко мчать назустріч один одному. Ось вони зіткнулися, перемішалися, почалася штовханина, плутанина. Чудовий безлад!
Приблизно так само фізики спочатку намагалися отримати високу температуру - шляхом зіштовхування газових струменів високого тиску. Газ нагрівався до 10 тисяч градусів. Свого часу це був рекорд: температура вища, ніж на поверхні Сонця.
Але при цьому способі подальший, досить повільний, не вибуховий нагрівання газу неможливий, так як тепловий безлад миттєво поширюється на всі боки, зігріваючи стінки експериментальної камери і навколишнє середовище. Отримане тепло швидко залишає систему і ізолювати її неможливо.
Якщо струменя газу замінити потоками плазми, проблема теплоізоляції залишається дуже важкою, але відкривається надія на її вирішення.
Щоправда, і плазму не можна захистити від втрат тепла судинами, виготовленими з речовини навіть найтугоплавкішого. Торкаючись твердих стінок, гаряча плазма негайно остигає. Зате можна спробувати втримати і розігріти плазму, створивши її скупчення у вакуумі так, щоб вона не торкалася стін камери, а висіла в порожнечі, ні до чого не торкаючись. Тут слід користуватися тим, що частки плазми не нейтральні, як атоми газу, а електрично заряджені. Тому у русі вони піддаються дії магнітних сил. Виникає завдання: влаштувати магнітне поле особливої конфігурації, в якому гаряча плазма висіла б як у мішку з невидимими стінками.
Найпростіший видтакого п.эля створюється автоматично, коли через плазму пропускають сильні імпульси електричного струму. Навколо плазмового шнура при цьому наводяться магнітні сили, які прагнуть стиснути шнур. Плазма відокремлюється від стінок розрядної трубки, і в осі шнура в товсті частинок температура піднімається до 2 млн. градусів.
У нашій країні такі експерименти були виконані ще 1950 р. під керівництвом академіків JI. А. Арцимовича та М. А. Леонтовича.
Інший напрямок дослідів - використання магнітної пляшки, запропонованої 1952 р. радянським фізиком Г. І. Буд-кером, нині академіком. Магнітна пляшка влаштовується в пробкотроні - циліндричної вакуумної камери, з зовнішньою обмоткою, яка згущується біля кінців камери. Струм, що протікає по обмотці, створює в камері магнітне поле. Його силові лінії в середній частині розташовуються паралельно утворюючим циліндра, а в кінці стискаються і утворюють магнітні пробки. Частинки плазми, впорскнуті в магнітну пляшку, в'ються навколо силових ліній, відбиваються від пробок. В результаті плазма деякий час утримується усередині пляшки. Якщо енергія введених у пляшку плазмових частинок досить велика і їх досить багато, вони вступають у складні силові взаємодії, їх спочатку упорядкований рух заплутується, стає безладним – температура водневих ядер піднімається до десятків мільйонів градусів.
Додаткове нагрівання досягається електромагнітними<ударами>по плазмі, стиском магнітного поля і т. д. Зараз плазму ядер важкого воднюрозжарюють до сотень мільйонів градусів. Щоправда, це вдається зробити або на короткий часабо при малій щільності плазми.
Щоб порушити реакцію, що самопідтримується, належить далі підняти температуру і щільність плазми. Домогтися цього важко. Однак проблема, як переконані вчені, безперечно вирішувана.
Г.Б. Анфілов
Розміщення фотографій та цитування статей з нашого сайту на інших ресурсах дозволяється за умови вказівки посилання на першоджерело та фотографії.
Абсолютний нуль температур
Абсолютний нуль температури- це мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль служить початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає температура –273,15 °C.
Вважається що абсолютний нульпрактично недосяжний. Його існування та положення на температурній шкалі випливає з екстраполяції спостережуваних фізичних явищ, при цьому така екстраполяція показує, що при абсолютному нулі енергія теплового руху молекул і атомів речовини повинна дорівнювати нулю, тобто хаотичний рух частинок припиняється, і вони утворюють впорядковану структуру, займаючи чітке положення у вузлах кристалічної решітки. Однак, насправді, навіть за абсолютного нуля температури регулярні рухискладники речовина частинок залишаться . Коливання, що залишилися, наприклад нульові коливання , обумовлені квантовими властивостями частинок і фізичного вакууму , їх навколишнього.
В даний час у фізичних лабораторіях вдалося отримати температуру, що перевищує абсолютний нуль всього на кілька мільйонів часток градуса; досягти його самого, згідно із законами термодинаміки, неможливо.
Примітки
Література
- Р. Бурмін. Штурм абсолютного нуля. - М: «Дитяча література», 1983.
Див. також
Wikimedia Foundation. 2010 .
- Абсолютний нуль температури
- Абсолютний нуль температур
Дивитись що таке "Абсолютний нуль температур" в інших словниках:
Абсолютний нуль температур- Абсолютний нуль температури – це мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль є початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає ... Вікіпедія
АБСОЛЮТНИЙ НУЛЬ- АБСОЛЮТНИЙ НУЛЬ, температура, при якій всі компоненти системи мають найменшою кількістюенергії, допустимою за законами КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ; нуль на шкалі температур за Кельвіном, або 273,15 ° С (459,67 ° за Фаренгейтом). При цій температурі … Науково-технічний енциклопедичний словник
Абсолютна шкала температур
Абсолютна термодинамічна температура- Хаотичне теплове рух на площині частинок газу таких як атоми та молекули Існує два визначення температури. Одне з молекулярно-кінетичної точки зору, інше з термодинамічної. Температура (від лат. temperatura належне… … Вікіпедія
Абсолютна температурна шкала- Хаотичне теплове рух на площині частинок газу таких як атоми та молекули Існує два визначення температури. Одне з молекулярно-кінетичної точки зору, інше з термодинамічної. Температура (від лат. temperatura належне… … Вікіпедія
Термін «температура» з'явився в часи, коли вчені-фізики думали, що теплі тіла складаються з більшої кількостіспецифічної субстанції – теплорода, – чим такі ж тіла, але холодні. А температура трактувалася як величина, що відповідає кількості теплороду у тілі. З того часу температуру будь-яких тіл вимірюють у градусах. Але насправді це міра кінетичної енергіїрухомих молекул, і, виходячи з цього, її слід вимірювати в Джоулях, відповідно до Системи одиниць Сі.
Поняття «абсолютний нуль температури» виходить із другого початку термодинаміки. По ньому процес переходу тепла від холодного тіла до гарячого неможливий. Це поняття запроваджено англійським фізиком У. Томсоном. Йому за досягнення у фізиці було даровано дворянське звання «лорд» та титул «барон Кельвін». У 1848 р. У. Томсон (Кельвін) запропонував використати температурну шкалу, в якій за початкову точкуприйняв абсолютний нуль температури, що відповідає граничному холоду, а ціною поділу взяв градус Цельсія. Одиницею Кельвіна є 1/27316 частка температури потрійної точки води (близько 0 град. З), тобто. температури, за якої чиста водавідразу знаходиться у трьох видах: лід, рідка водата пар. температури - це мінімально можлива низька температура, коли він рух молекул зупиняється, і з речовини вже неможливо витягти теплову енергію. З того часу шкала абсолютних температурстала називатися його ім'ям.
Температура вимірюється за різними шкалами
Найбільш уживана шкала температури зветься «шкала Цельсія». Вона побудована на двох точках: на температурі фазового переходуводи з рідини в пару і води в лід. А. Цельсій у 1742 р. запропонував відстань між опорними точкамирозділити на 100 проміжків, а води прийняти за нуль, у своїй точку замерзання за 100 градусів. Але швед К. Лінней запропонував зробити навпаки. З того часу вода замерзає при нулі градусів А. Цельсія. Хоча точно за Цельсієм вона має кипіти. Абсолютний нуль за Цельсієм відповідає мінус 273,16 градусів Цельсія.
Є ще кілька температурних шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкіна, Ньютона, Ромера. Вони мають різні та ціну поділу. Наприклад шкала Реомюра теж побудована на реперах кипіння та замерзання води, але вона має 80 поділів. Шкала Фаренгейта, що з'явилася 1724 р., використовується у побуті лише деяких країнах світу, зокрема США; одна - температура суміші водяний лід - нашатир та інша - людського тіла. Шкала ділиться на сто поділів. Нуль Цельсія відповідає 32 Переведення градусів у фаренгейти можна зробити за формулою: F = 1,8 C + 32. Зворотний переклад: С = (F - 32)/1,8, де: F - градуси Фаренгейта, С - градуси Цельсія. Якщо вам ліньки рахувати, сходіть в онлайн-сервіс з перекладу Цельсія в Фаренгейти. У рамочці наберіть число градусів Цельсія, натисніть «Розрахувати», виберіть «Фаренгейт» та натисніть «Пуск». Результат з'явиться одразу.
Названа на честь англійської (точніше шотландської) фізика Вільяма Дж. Ранкіна, колишнього сучасникомКельвіна та одним із творців технічної термодинаміки. У його шкалі важливих точок три: початок – абсолютний нуль, точки замерзання води 491,67 градуса Ранкіна та закипання води 671,67 град. Число поділів між замерзанням води та її закипанням і у Ранкіна, і у Фаренгейта дорівнює 180.
Більшістю цих шкал користуються виключно фізики. А 40% опитаних у наші дні американських школярів випускних класівсказали, що вони не знають, що таке абсолютний нуль температури.
Що таке абсолютний нуль (частіше нуль)? Чи дійсно ця температура існує десь у Всесвіті? Чи можемо ми охолодити щось до абсолютного нуля в реального життя? Якщо вам цікаво, чи можна обігнати хвилю холоду, давайте досліджуємо найдальші межі холодної температури.
Що таке абсолютний нуль (частіше нуль)? Чи дійсно ця температура існує десь у Всесвіті? Чи можемо ми охолодити будь-що до абсолютного нуля в реальному житті? Якщо вам цікаво, чи можна обігнати хвилю холоду, давайте досліджуємо найдальші межі холодної температури.
Навіть якщо ви не фізик, ви, мабуть, знайомі з поняттям температури. Температура – це міра виміру кількості внутрішньої випадкової енергії матеріалу. Слово «внутрішньої» дуже важливе. Киньте сніжок, і хоча основний рух буде досить швидким, снігова куля залишиться досить холодною. З іншого боку, якщо ви подивитеся на молекули повітря, що літають по кімнаті, звичайна молекула кисню смажить зі швидкістю тисяч кілометрів на годину.
Ми зазвичай замовкаємо, коли йдеться про технічні деталі, тому спеціально для експертів зазначимо, що температура трохи складніша, ніж ми сказали. Справжнє визначеннятемператури має на увазі те, скільки енергії вам потрібно витратити на кожну одиницю ентропії (безладу, якщо хочете більше зрозуміле слово). Але давайте опустимо тонкощі і просто зупинимося на тому, що випадкові молекули повітря або води в товщі льоду будуть рухатися або вібрувати все повільніше і повільніше в міру зниження температури.
Абсолютний нуль - це температура -273,15 градусів Цельсія, -459,67 за Фаренгейтом і просто 0 за Кельвіном. Це точка, де тепловий рух повністю зупиняється.
Чи все зупиняється?
У класичному розгляді питання при абсолютному нулі зупиняється все, але саме в цей момент з-за рогу виглядає страшна морда квантової механіки. Одним із передбачень квантової механіки, яке зіпсувало кров чималій кількості фізиків, є те, що ви ніколи не можете виміряти точне положення або імпульс частинки з досконалою визначеністю. Це як принцип невизначеності Гейзенберга.
Якби ви могли охолодити герметичну кімнату до абсолютного нуля, відбулися б дивні речі (про це трохи згодом). Тиск повітря впав би практично до нуля, і оскільки тиск повітря зазвичай протистоїть гравітації, повітря сколапсує дуже тонкий шар на підлозі.
Але навіть у тому випадку, якщо ви зможете виміряти окремі молекули, Ви знайдете дещо цікаве: вони вібрують і обертаються, зовсім небагато - квантова невизначеність у роботі. Щоб поставити крапки над i: якщо ви виміряєте обертання молекул Вуглекислий газпри абсолютному нулі, ви виявите, що атоми кисню облітають вуглець зі швидкістю кілька кілометрів на годину - набагато швидше, ніж ви припускали.
Розмова заходить у глухий кут. Коли ми говоримо про квантовому світі, рух втрачає сенс. У таких масштабах все визначається невизначеністю, тому не те щоб частинки були нерухомими, ви просто ніколи не зможете виміряти їх так, наче вони нерухомі.
Як низько можна впасти?
Прагнення абсолютному нулю по суті зустрічається з тими самими проблемами, як і прагнення швидкості світла. Щоб набрати швидкість світла, знадобиться нескінченна кількість енергії, а досягнення абсолютного нуля вимагає отримання нескінченної кількості тепла. Обидва ці процеси неможливі, якщо що.
Незважаючи на те, що ми поки не досягли фактичного стану абсолютного нуля, ми дуже близькі до цього (хоча «дуже» в цьому випадку поняття дуже розтяжне; як дитяча лічилка: два, три, чотири, чотири з половиною, чотири на ниточці, чотири на волосині, п'ять). Найнижча температура, колись зареєстрована на Землі, була зафіксована в Антарктиді в 1983 році, на позначці -89,15 градусів за Цельсієм (184K).
Звичайно, якщо ви хочете охолонути не по-дитячому, вам потрібно пірнути в глибини космосу. Весь всесвіт залитий залишками випромінювання від Великого ВибухуУ найпорожніших регіонах космосу — 2,73 градуси за Кельвіном, що трохи холодніше, ніж температура рідкого гелію, який ми змогли отримати на Землі століття тому.
Але фізики-низькотемпературники використовують заморожуючі промені, щоб вивести технологію на абсолютно новий рівень. Вас може здивувати те, що промені, що заморожують, набувають форми лазерів. Але як? Лазери мають спалювати.
Все правильно, але у лазерів є одна особливість - можна навіть сказати, ультимативна: весь світ випромінюється на одній частоті. Звичайні нейтральні атомивзагалі не взаємодіють зі світлом, якщо частота не налаштована влучним чином. Якщо атом летить до джерела світла, світло отримує доплеровський зсув і виходить на більш високу частоту. Атом поглинає меншу енергію фотона, ніж міг би. Так що якщо налаштувати лазер нижче, швидкорухаючі атоми поглинатимуть світло, а випромінюючи фотон у випадковому напрямку, втрачатимуть трохи енергії в середньому. Якщо повторювати процес, ви можете охолодити газ до температури менше одного наноКельвіна, мільярдної частки градуса.
Все набуває більш екстремального забарвлення. Світовий рекорд найнижчої температури становить менше однієї десятої мільярда градуса вище за абсолютного нуля. Пристрої, які домагаються цього, захоплюють атоми магнітні поля. «Температура» залежить не так від самих атомів, як від спина атомних ядер.
Тепер для відновлення справедливості нам потрібно трохи пофантазувати. Коли ми зазвичай уявляємо собі щось, заморожене до однієї мільярдної частки градуса, вам напевно малюється картинка, як навіть молекули повітря замерзають на місці. Можна навіть уявити руйнівний апокаліптичний пристрій, що заморожує спини атомів.
Зрештою, якщо ви дійсно хочете випробувати низьку температуру, все, що вам потрібно, це чекати. Через приблизно 17 мільярдів років радіаційне тло у Всесвіті охолоне до 1К. Через 95 мільярдів років температура становитиме приблизно 0,01К. Через 400 мільярдів років глибокий космос буде таким холодним, як самий холодний експериментна Землі, і після цього ще холодніше.
Якщо вам цікаво, чому всесвіт остигає так швидко, скажіть спасибі нашим старим друзям: ентропії та темної енергії. Всесвіт перебуває в режимі акселерації, вступаючи в період експоненційного зростання, який триватиме вічно. Речі замерзатиму дуже швидко.
Яка нам справа?
Все це, звісно, чудово, та й рекорди побивати теж приємно. Але в чому сенс? Що ж, є безліч вагомих причин розбиратися в низинах температури, і не лише на правах переможця.
Хороші хлопці з Національного інститутустандартів та технологій, наприклад, просто хотіли б зробити класний годинник. Стандарти часу ґрунтуються на таких речах, як частота атома цезію. Якщо атом цезію рухається занадто багато, з'являється невизначеність у вимірах, що, зрештою, призведе до збою годинника.
Але що важливіше, особливо з погляду науки, матеріали поводяться шалено на екстремально низьких температурах. Наприклад, як лазер складається з фотонів, які синхронізуються один з одним - на одній частоті та фазі - так і матеріал, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна, може бути створений. У ньому всі атоми перебувають у тому самому стані. Або уявіть собі амальгаму, в якій кожен атом втрачає свою індивідуальність, і вся маса реагує як один нуль-супер-атом.
При дуже низьких температурах багато матеріалів стають надплинними, що означає, що вони можуть зовсім не мати в'язкості, укладатися надтонкими шарами і навіть кидати виклик гравітації в досягненні мінімуму енергії. Також при низьких температурах багато матеріалів стають надпровідними, що означає відсутність будь-якого електричного опору.
Надпровідники здатні реагувати на зовнішні магнітні поля таким чином, щоб повністю скасовувати їх усередині металу. В результаті, ви можете об'єднати холодну температуруі магніт і отримати щось на кшталт левітації.
Чому є абсолютний нуль, але немає абсолютного максимуму?
Погляньмо на іншу крайність. Якщо температура - це просто міра енергії, то можна просто уявити атоми, які підбираються ближче та ближче до швидкості світла. Не може ж це продовжуватись нескінченно?
Є коротка відповідь: ми не знаємо. Цілком можливо, що буквально існує така річ, як нескінченна температура, але якщо є абсолютна межа, юний всесвіт надає досить цікаві підказки щодо того, що це таке. Найвища температура, яка будь-коли існувала (як мінімум у нашому всесвіті), ймовірно, трапилася в так званий час Планка.
Це була мить довжиною в 10-43 секунд після Великого Вибуху, коли гравітація відокремилася від квантової механіки і фізика стала саме такою, якою є зараз. Температура в той час була приблизно 10^32 K. Це в септилліон раз гарячіше, ніж нутро нашого Сонця.
Знову ж таки, ми зовсім не впевнені, чи це найгарячіша температура з усіх, що могли бути. Бо у нас навіть немає великий моделіВсесвіту в час Планка, ми навіть не впевнені, що Всесвіт кип'ятився до такого стану. У будь-якому випадку, до абсолютного нуля ми набагато ближче, ніж до абсолютної спеки.
Чи думали ви над тим, наскільки низькою може бути температура? Що являє собою абсолютний нуль? Чи вдасться людству колись досягти його і які можливості відкриються після такого відкриття? Ці та інші подібні питаннядавно займали уми багатьох фізиків та й просто допитливих людей.
Що є абсолютний нуль
Навіть якщо з дитинства не любили фізику, вам, напевно, знайоме поняття температури. Завдяки молекулярно-кінетичній теорії тепер ми знаємо, що між нею та рухами молекул і атомів існує певний статичний зв'язок: чим більша температурабудь-якого фізичного тіла, тим швидше рухаються його атоми, і навпаки. Виникає питання: «Чи існує така Нижня границя, при якій елементарні часткизастигнуть дома?». Вчені вважають, що це теоретично можливо, стовпчик термометра опиниться на позначці -273,15 градусів за шкалою Цельсія. Це значення отримало назву абсолютний нуль. Іншими словами, це мінімально можлива межа, до якої може бути охолоджене фізичне тіло. Є навіть абсолютна температурна шкала (шкала Кельвіна), в якій абсолютний нуль є точкою відліку, а одиничний поділ шкали дорівнює одному градусу. Вчені по всьому світу не припиняють роботи з досягнення даного значення, оскільки це обіцяє людству величезні перспективи.
Чому це так важливо
Гранично низькі та гранично високі температури тісно пов'язані з поняттям надплинності та надпровідності. Зникнення електричного опору у надпровідниках дозволить досягти немислимих значень ККДта виключити будь-які втрати енергії. Якби вдалося знайти спосіб, який дозволить вільно досягти значення "абсолютний нуль", багато проблем людства було б вирішено. Поїзди, що ширяють над рейками, легші і менш об'ємні двигуни, трансформатори та генератори, високоточна магнітоенцефалографія, високоточні годинники - ось лише кілька прикладів того, що може принести надпровідність у наше життя.
Останні наукові досягнення
У вересні 2003 року дослідники з MIT та NASA зуміли охолодити газ натрій до рекордно низького значення. У ході експерименту до фінішної позначки (абсолютний нуль) їм не вистачило лише половини мільярдної частки градуса. У процесі тестів натрій постійно знаходився в магнітному полі, яке утримувало його від дотику до стінок контейнера. Якби вдалося подолати температурний бар'єр, молекулярний рух у газі повністю зупинився б, адже таке охолодження витягло б всю енергію з натрію. Дослідники застосували методику, автор якої (Вольфганг Кеттерле) отримав у 2001 році Нобелівську преміюпо фізиці. Ключовим моментому тестах були газові процеси конденсації Бозе-Ейнштейна. Тим часом ніхто ще не скасовував третій початок термодинаміки, згідно з яким абсолютний нуль - це не тільки нездоланна, а й недосяжна величина. До того ж, діє принцип невизначеності Гейзенберга, і атоми просто не можуть зупинитися як укопані. Таким чином, поки що абсолютний нуль температури для науки залишається недосяжним, хоч вчені й змогли наблизитися до нього на мізерну відстань.
