0 K — единственная температура во Вселенной, которую нельзя достичь по законам физики. Даже теоретически
NewsMakerУчёные сумели замедлить атомы до почти полного покоя — но абсолютный ноль остаётся за гранью возможного.
Почти весь мир измеряет температуру в градусах Цельсия, а США продолжают цепляться за Фаренгейты, словно за ледяную перчатку. Учёные же предпочитают шкалу Кельвина. Один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия, но отсчёт начинается на 273,15 градусов ниже. Это число выбрано не случайно — при такой точке 0 K соответствует абсолютному нулю, состоянию, когда тепла не остаётся вовсе.
Однако ничего во Вселенной — ни космический вакуум, ни лабораторные установки — не достигло абсолютного нуля. И если с физикой всё в порядке, не достигнет никогда. Даже рекордно низкие температуры, полученные человеком, составляют около 0,00000000004 K. Почему же абсолютный ноль недостижим?
Температура — это мера энергии, а точнее, движения атомов и молекул. В твёрдых телах они вибрируют, в жидкостях и газах движутся хаотичнее. Чем выше средняя энергия, тем быстрее движение частиц и выше температура. При приближении к абсолютному нулю движение замедляется до почти полного покоя. Кажется, что стоит удалить ещё немного тепла — и всё остановится. Но тут в игру вступает третий закон термодинамики.
Его суть сформулировал Вальтер Нернст: «Никакая процедура не может привести систему к температуре T = 0 за конечное число шагов». Иными словами, чтобы достичь абсолютного нуля, нужно бесконечно много раз удалять энергию из системы — а значит, это физически невозможно. В экспериментах Нернст охлаждал вещества всё сильнее, но всегда оставалось немного тепла, которое мешало достичь идеальной точки. Позже статистическая физика подтвердила этот вывод: абсолютный ноль не достижим не только на практике, но и по законам природы. Современные исследования добавили, что достичь 0 K невозможно и за конечное время — для этого понадобилась бы бесконечно старая Вселенная.
Тем не менее учёные научились приближаться к этой границе. Чтобы охладить что-то до 0 °C, достаточно переместить тепло наружу — именно так работает холодильник. При сжатии газ нагревается, отдаёт тепло, а при последующем расширении охлаждается. Повторяя процесс, можно охладить гелий до −269 °C, то есть до 4 K. Погружённый в жидкий гелий объект отдаёт тепло, пока не достигнет той же температуры.
Это почти соответствует температуре космического микроволнового фона — 2,7 K, оставшейся с эпохи Большого взрыва. Используя редкий изотоп гелий-3, можно опуститься ещё на градус ниже.
Для ещё более низких температур требуются сложные методы. Например, ядерная размагнитизация, где вместо давления используют магнитные поля, заставляя атомные ядра выстраиваться и отпускать энергию. Ещё эффективнее — лазерное охлаждение: три пучка света замедляют движение атомов, действуя как невидимое трение. Этот метод принёс своим создателям Нобелевскую премию по физике в 1997 году. Он позволяет охладить вещество до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля.
Но и он не нарушает третий закон — даже самые точные лазеры оставляют следы теплового движения. Новый подход под названием «матерновая волновая линза» позволил охладить атомы рубидия ещё в десять раз ниже. Это пригодно для изучения бозе-эйнштейновских конденсатов в условиях микрогравитации, но даже так абсолютного нуля не достичь, разве что округлить температуру до десяти знаков после запятой.
И напоследок — о «отрицательных температурах» . Несмотря на название, они не холоднее абсолютного нуля. Это особые состояния систем, где добавление энергии снижает энтропию, то есть беспорядок, вместо того чтобы её увеличивать. Такие условия возможны только в системах с ограниченным запасом энергии. При этом «отрицательные температуры» на самом деле чрезвычайно горячие: если поместить их в обычную среду, они будут отдавать тепло наружу.
Абсолютный ноль остаётся недостижимым пределом, как горизонт событий в термодинамике. Мы можем подойти к нему вплотную, но сделать ещё один шаг — невозможно.
Почти весь мир измеряет температуру в градусах Цельсия, а США продолжают цепляться за Фаренгейты, словно за ледяную перчатку. Учёные же предпочитают шкалу Кельвина. Один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия, но отсчёт начинается на 273,15 градусов ниже. Это число выбрано не случайно — при такой точке 0 K соответствует абсолютному нулю, состоянию, когда тепла не остаётся вовсе.
Однако ничего во Вселенной — ни космический вакуум, ни лабораторные установки — не достигло абсолютного нуля. И если с физикой всё в порядке, не достигнет никогда. Даже рекордно низкие температуры, полученные человеком, составляют около 0,00000000004 K. Почему же абсолютный ноль недостижим?
Температура — это мера энергии, а точнее, движения атомов и молекул. В твёрдых телах они вибрируют, в жидкостях и газах движутся хаотичнее. Чем выше средняя энергия, тем быстрее движение частиц и выше температура. При приближении к абсолютному нулю движение замедляется до почти полного покоя. Кажется, что стоит удалить ещё немного тепла — и всё остановится. Но тут в игру вступает третий закон термодинамики.
Его суть сформулировал Вальтер Нернст: «Никакая процедура не может привести систему к температуре T = 0 за конечное число шагов». Иными словами, чтобы достичь абсолютного нуля, нужно бесконечно много раз удалять энергию из системы — а значит, это физически невозможно. В экспериментах Нернст охлаждал вещества всё сильнее, но всегда оставалось немного тепла, которое мешало достичь идеальной точки. Позже статистическая физика подтвердила этот вывод: абсолютный ноль не достижим не только на практике, но и по законам природы. Современные исследования добавили, что достичь 0 K невозможно и за конечное время — для этого понадобилась бы бесконечно старая Вселенная.
Тем не менее учёные научились приближаться к этой границе. Чтобы охладить что-то до 0 °C, достаточно переместить тепло наружу — именно так работает холодильник. При сжатии газ нагревается, отдаёт тепло, а при последующем расширении охлаждается. Повторяя процесс, можно охладить гелий до −269 °C, то есть до 4 K. Погружённый в жидкий гелий объект отдаёт тепло, пока не достигнет той же температуры.
Это почти соответствует температуре космического микроволнового фона — 2,7 K, оставшейся с эпохи Большого взрыва. Используя редкий изотоп гелий-3, можно опуститься ещё на градус ниже.
Для ещё более низких температур требуются сложные методы. Например, ядерная размагнитизация, где вместо давления используют магнитные поля, заставляя атомные ядра выстраиваться и отпускать энергию. Ещё эффективнее — лазерное охлаждение: три пучка света замедляют движение атомов, действуя как невидимое трение. Этот метод принёс своим создателям Нобелевскую премию по физике в 1997 году. Он позволяет охладить вещество до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля.
Но и он не нарушает третий закон — даже самые точные лазеры оставляют следы теплового движения. Новый подход под названием «матерновая волновая линза» позволил охладить атомы рубидия ещё в десять раз ниже. Это пригодно для изучения бозе-эйнштейновских конденсатов в условиях микрогравитации, но даже так абсолютного нуля не достичь, разве что округлить температуру до десяти знаков после запятой.
И напоследок — о «отрицательных температурах» . Несмотря на название, они не холоднее абсолютного нуля. Это особые состояния систем, где добавление энергии снижает энтропию, то есть беспорядок, вместо того чтобы её увеличивать. Такие условия возможны только в системах с ограниченным запасом энергии. При этом «отрицательные температуры» на самом деле чрезвычайно горячие: если поместить их в обычную среду, они будут отдавать тепло наружу.
Абсолютный ноль остаётся недостижимым пределом, как горизонт событий в термодинамике. Мы можем подойти к нему вплотную, но сделать ещё один шаг — невозможно.