Достаточно часто мне задают вопросы о температурах в космосе и иногда мне приходится использовать такое понятие, как абсолютный ноль температур. В связи с этим недавно мне поступил следующий вопрос:
Расскажите пожалуйста что значит абсолютный ноль? Как может быть так, что температура не может быть ниже этого значения? И если есть абсолютный ноль как нижняя граница температуры, то есть ли какая-то верхняя граница?
Абсолютный ноль действительно является минимальной температурой, которую гипотетически может иметь вещество. Она составляет 0 Кельвинов или -273,15 градусов Цельсия. Чтобы понять, почему тело не может охладиться до меньшей температуры сначала нужно разобраться: А что вообще такое температура?
Ответом на это многие слышали: температура — это мера нагретости тела, но что эти слова значат? Все вещества состоят из частиц, которые хаотически движутся или колеблются, и температура фактически характеризует среднюю скорость движения этих частиц. Чем быстрее движутся частицы, тем больше их кинетическая энергия, а значит больше внутренняя энергия тела и в результате больше его температура.
Хотя, строгости ради, и пока не налетели хейтеры, в кинетической энергии роль играет не только скорость частиц, но и их масса, поэтому считают, что у более нагретых тел больше именно средняя кинетическая энергия, а не средняя скорость. Но сегодня нам это неважно.
При остывании тела средняя скорость движения его частиц уменьшается, но уменьшаться вечно скорость не может, рано или поздно все частицы в теле просто остановятся. Гипотетическую температуру, при которой это произойдёт и назвали абсолютным нулём.
Почему эта температура гипотетическая? Нет, не потому, что это лишь предположение, а потому, что её невозможно достичь на практике. Чем ближе мы будем приближать температуру вещества к абсолютному нулю, тем труднее будет отбирать у него оставшиеся микроскопические порции энергии. При помощи любой технологии, при каждом повторении процесса охлаждения мы сможем забрать определённы процент от оставшейся энергии, но не сможем забрать её всю. Таким образом, сколько бы раз мы ни повторяли процесс охлаждения, всегда будет оставаться какая-то энергия, а значит частицы будут продолжать двигаться.
Чтобы гипотетически охладить что-либо до абсолютного нуля, понадобился бы хладагент с температурой ниже абсолютного нуля, который мы получить не можем.
При приближении к абсолютному нулю вещества начинают проявлять новые, необычные свойства: сверхтекучесть, сверхпроводимость и т.д.
Хорошо, абсолютный ноль — это минимальная возможная температура, а существует ли максимальная? Да, существует и название ей планковская температура. Она составляет приблизительно 1.417×10³² Кельвинов или градусов Цельсия, при столь большой температуре разницы между этими двумя шкалами пренебрежительно мала.
Планковская температура определяется следующим образом: любое нагретое тело излучает электромагнитные волны, длина волны которых зависит от температуры тела. Чем больше температуры, тем меньшей будет длина волны. При достижении планковской температуры длинна волны станет равна планковской длине (1.616×10⁻³⁵ м) — одной из фундаментальных постоянных.
На столь малых масштабах современная физика перестаёт работать. Здесь необходима полноценная теория квантовой гравитации, которую мы пока не разработали, а значит мы не можем описать поведение тел с температурой больше планковской.
Есть предположение, что Вселенная была разогрета до планковской температуры в первый момент после большого взрыва. Но подтверждений этому пока нет.
Автор: 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.