Вы наверняка помните, что абсолютный ноль - это теоретическая температура, при которой частицы вещества достигают своего минимального энергетического состояния и практически прекращают движение. Этот предел считается самой низкой температурой, которая возможна в природе, и обозначается как 0 К (кельвин) или -273,15 °C (градусов Цельсия).
Тут есть несколько интересных ключевых фраз, которые определяют понимание проблемы. Почему "температура теоретическая"? Потому что достичь абсолютного ноля также невозможно согласно теории современной физики, как и не возможно разогнаться до скорости тела массивному телу. Почему частицы "практически прекращают движение"? Потому что колебания в любом случае сохраняются и это следует из принципа неопределенности Гейзенберга. Эти моменты полезно держать в голове.
Но как вообще появилась идея, что абсолютный ноль должен существовать? Тут всё, как обычно, очень интересно.
Как появилась идея абсолютного ноля?
Сколько я не перелопатил источников, везде подробно описывается процесс получения конкретной циферки, но нигде не отмечен исходный физический смысл этой величины. Если напишите про это в комментариях - всем будет интересно.
Из имеющихся материалов получается, что изначально абсолютный ноль не имел как такового физического смысла и использовался лишь как нулевая отметка на шкале. Дальше этот подход начал обрастать именно что идеологическими, философскими и физическими смыслами.
Формирование абсолютного ноля
Одним из первых ученых, поднявших вопрос о существовании абсолютной минимальной температуры, был Роберт Бойль.
В своих экспериментах 1665 года, связанных с холодом, он инициировал обсуждение, известное как primum frigidum. Эта концепция была распространена среди натуралистов того времени. Предполагалось, что должно существовать некое вещество, обладающее высшей степенью холода, которое при взаимодействии с другими телами передает им это качество. Логика была довольно линейной - если есть что-то горячее, то и есть что-то холодное. А насколько это "что-то холодное" будет холодным?
В 1703 Гийомом Амонтоном усовершенствовал воздушный термометр. Его прибор измерял температуру по высоте столбика ртути, поддерживаемого определенной массой воздуха, где давление изменялось в зависимости от температуры. Амонтон предположил, что нулем на его термометре будет та температура, при которой давление воздуха станет равным нулю. Он использовал шкалу, на которой температура кипения воды соответствовала +73, а таяния льда+51,5, что позволяло установить ноль примерно на уровне -240 °C. Амонтон считал, что абсолютный ноль недостижим, поэтому даже не пытался вычислить его точно. Значение -240 °C было опубликовано Джорджем Мартином в 1740 году.
Это приближение к современному значению -273,15 °C для нуля воздушного термометра было уточнено Иоганном Генрихом Ламбертом в 1779 году, который заметил, что -270 °C можно рассматривать как абсолютный холод.
Тем не менее, эти значения не были общеприняты в то время. Пьер-Симон Лаплас и Антуан Лавуазье в своем трактате о теплоте 1780 года указывали значения от -1500 до -3000 °C ниже точки замерзания воды, утверждая, что ноль должен быть как минимум на 600 °C ниже. Джон Далтон в своей химической философии провел десять расчетов и в итоге принял -3000 °C как естественный ноль температуры.
Математика и ничего личного
В 1802 году французский физик Жозеф Луи Гей-Люссак сделал важное открытие в области газовой физики, экспериментально сформулировав закон, который стал известен как закон Гей-Люссака. Этот закон гласит, что при постоянном давлении относительное изменение объема газа определенной массы пропорционально изменению его температуры. В математической записи закона присутствует фактор альфа или температурный коэффициент объемного расширения.
Температурный коэффициент объёмного расширения газа - это физическая величина, равная относительному изменению объёма газа при изменении его температуры на 1 градус.
Эксперименты показали, что для газов с низкой плотностью значение коэффициента альфа остается постоянным и не зависит от типа газа, равным 1/273 [1/°С]. Уже появляется знакомая циферка 273.
Удобно принять начальную температуру в равной 0 °С, что позволяет нам определить начальный объем при этой температуре. Такие приёмы любят использовать и можно вспомнить, например, понятие нормальные условия. Это обычная практика, которая не нарушает физику процесса.
При снижении температуры объем газа очевидно должен уменьшаться, однако он не может стать отрицательным. Это указывает на то, что температура имеет нижний предел. Этот предел и именуется абсолютный ноль. На данный момент принято считать, что абсолютный ноль равен -273,15 °С.
На самом деле, существование абсолютного нуля было предсказано еще до открытия Гей-Люссаком его газового закона, однако точное значение этого предела не было определено. Тут удалось найти золотую циферку 273. И да, это реальное экспериментальное значение. Но зато в отличие от случаев, когда математика опережала физику, здесь мы можем сказать, что физики уже предполагали о существовании такого значения.
Предел ещё не был принят окончательно. После того как Джеймс Прескотт Джоуль определил механический эквивалент тепла, лорд Кельвин в 1848 году предложил шкалу абсолютной температуры, независимую от свойств конкретных веществ, основываясь на теории Карно и данных Анри Виктора Реньо. Согласно принципам этой шкалы, ноль был установлен на уровне -273 °C, что соответствовало той же точке, где объем воздуха достигал нуля. Это значение не было немедленно принято. В начале XX века использовались значения от -271,1 °C до -274,5 °C, полученные на основе лабораторных измерений и астрономических наблюдений. Но постепенно было выбрано значение, которое нам хорошо известно.
Становление теории
Впоследствии оказалось, что простая цифра на шкале имеет глубокий физический смысл. Ученные с самого начала полагали, что при этой температуре существует что-то странное и что тепловое движение само по себе будет или полностью остановлено, или станет минимально.
Современные методы исследования позволили напрямую связать поведение частиц, которые мы теперь можем наблюдать, с их температурой. Это позволило полагать, что при минимуме температур движения не будет (ну или почти не будет). Мысли и гипотезы ранних физиков подтвердились и оказалось, что и правда существует нечто холодное и страшное.
⚠️ На всякий случай потихоньку переношу материалы с ДЗЕНа в Телеграм и делаю архив. Мало ли что...Читайте лучшие статьи с канала здесь и не забывайте подписаться!
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
