Ещё со школьной скамьи, все мы хорошо знаем, что с увеличением температуры скорость атомов в веществе увеличивается, а при снижении температуры уменьшается. Но что произойдёт при абсолютном нуле? И можно ли достичь температуры в -273,16 градусов Цельсия?
Что такое температура?
В классической термодинамике величина температуры тесно связана с тепловым равновесием. Если две изолированные от окружающей среды системы A и B, каждая из которых находится в равновесии, ввести в тепловой контакт, который обеспечивает прямой теплообмен между двумя системами, то состояние этих систем начнёт меняться до тех пор, пока между ними не наступит равновесие.
Данный вид равновесия называется термическим равновесием, при нём осуществляется оборотный теплообмен между системами А и B, при котором не изменяются состояния этих систем.
Абсолютная температура (более известная как температура в шкале Кельвина) является функцией состояния термодинамических систем, описывающей этот теплообмен между системами. Абсолютную температуру измеряют в градусах Кельвина и отсчитывают от абсолютного ноля температуры, который соответствует температуре в -273,16 градусов по шкале Цельсия.
Что происходит при абсолютном нуле?
При абсолютном нуле температуры термодинамическая система находится в самом низком энергетическом состоянии, при котором прекращаются, поступательное, вращательное и колебательное движения атомов/молекул. Исключениями могут быть только движения внутри атомов (колебания протонов и нейтронов, движения электронов) и нулевые колебания.
При температуре абсолютного нуля все вещества переходят в кристаллическое состояние, за небольшим исключением. Атомная масса гелия очень мала, как и энергия взаимодействия между его атомами, поэтому нулевые колебания препятствуют переходу гелия в твёрдое состояние при атмосферном давлении.
А теперь рассмотрим квантовую механику: если охладить термодинамическую систему, например, комнату, до абсолютного нуля, то давление системы также упадёт до нуля и воздух в комнате осядет тонким слоем на полу.
Однако, в масштабах атомов всё описывается неопределённостью Гейзенберга. Понятие движения при этом теряет свой смысл, но частицы могут менять своё местоположение, не перелетая с места на место (тепловое движение, которого в нашей комнате уже нет), а просто "телепортируясь". В любой реальной системе это мгновенно приведёт к нагреву газа выше абсолютного нуля.
С приближением температуры вещества к абсолютному нулю наблюдаются интересные квантовые эффекты, такие как: сверхпроводимость, сверхтекучесть и тому подобное. При абсолютном нуле температуры энтропия системы достигнет своего минимума. Вместе с тем все термодинамические параметры будут стремиться к нулю. Поэтому абсолютный ноль не является абсолютно достижимым, так же как недостижима скорость света для массивного объекта.
Где во Вселенной температура равна абсолютному нулю?
Реликтовое излучение поддерживает в космосе температуру не ниже, чем 2,7 Кельвинов, но физики нашли возможность при помощи лазерного излучения охладить частицы до температуры значительно более близкой к абсолютному нулю. Так в 2000 году учёные из Helsinki University of Technology достигли температуры 0,1×10-9 К. (С тех пор мне доводилось слышать о достижении значительно более низких температур, но при написании статьи найти точные и достоверные данные об этих экспериментах мне не удалось).
Как было выше сказано, абсолютный ноль является недостижим, но у Вселенной есть возможность охладиться до температуры абсолютного нуля — это тепловая смерть Вселенной.
Согласно этой теории через примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К. Через 400 миллиардов лет Вселенная будет также холодна, как газ при вышеописанном эксперименте. После этого Вселенная будет становиться ещё холоднее и согласно теории так будет вечно.
Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube. Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon.
