Согласно молекулярно-кинетической теории температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы. Чем выше скорость движения частиц тем выше температура, больше выделяется лишней кинетической энергии. Теоретический минимум по температуре составляет −273,15 по Цельсию или −459,67 по Фаренгейту, при котором любое движение микромира останавливается, но на практике абсолютный нуль недостижим.
Чтобы охладить тело до температуры абсолютного нуля нужен хладагент, в котором отрицательная усредненная кинетическая энергия движения частиц, а это теоретически возможно только при массе, находящейся в поле отрицательных значений. В лабораторных условиях осенью 2021 года ученым удалось максимально приблизиться к температуре абсолютного нуля до 38 пикокельвинов в искусственно созданном газовом облаке. Вблизи температуры абсолютного нуля у материалов проявляются уникальные свойства.
Сверхпроводимость
В начале прошлого века физик Хейке Камерлинг-Оннес создал криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 впервые в истории был получен жидкий гелий, позднее охлажденный до одного Кельвина. Ученый изучал зависимость электрического сопротивления охлажденных жидким гелием металлов от температуры. Согласно теории сопротивление должно было плавно понижаться, однако предсказывалось, что вблизи абсолютного нуля электроны остановятся и перестанут проводить ток.
8 апреля 1911 года при охлаждении ртути до трех Кельвинов неожиданно обнаружилось, что электрическое сопротивление стало равно нулю после резкого спада. Позднее более точными измерениями температура была определена как 4,15 К. Эффект назван сверхпроводимостью, характеризующимся также эффектом Мейснера, полное вытеснение магнитного поля из объема проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.
Позже эффект сверхпроводимости открыт у многих элементов и их соединений, обнаружены высокотемпературные сверхпроводники с температурой сверхпроводимости в несколько десятков Кельвинов. Открыты сверхпроводники, способные работать в сильном магнитном поле.
Сверхтекучесть
В 1938 году Петр Леонидович Капица и Джон Фрэнк Аллен открыли сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже температуры 2,172 К с отсутствием трения. Охлажденный до двух Кельвинов жидкий гелий находится в особенном состоянии квантовой жидкости, благодаря отсутствию трения способен проникать в самые узкие щели.
При охлаждении до данной температуры гелий испытывает фазовый переход от «нормального» состояния (гелий-I) до сверхтекучего гелия-II. После фазового перехода у гелия изменяются свойства теплопроводности, через гелий-II тепло проводится даже при сколько угодно малой разницы температур.
Конденсат Бозе — Эйнштейна
Явление квантовой механики было предсказано Эйнштейном еще в 1925 году на основе работы Бозе, позже им расширено до концепции бозе-газа, которая описывает статистическое распределение неразличимых частиц с целочисленным спином, бозонами. Предположение Эйнштейна заключалось в том, что охлаждение бозонов до крайне низкой температуры приведет к их конденсации в самое низкое доступное квантовое состояние, к новой форме материи.
Предположение Эйнштейна экспериментально подтверждено в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом совместно с Вольфгангом Кеттерле, за что они были удостоены Нобелевской премии.
#астрономия #космос #физика #наука #история