Что происходит при абсолютном нуле?

При абсолютном нуле (−273.15∘C или 0 К) вещество достигает состояния с минимально возможной энергией. Однако достичь абсолютного нуля невозможно (согласно третьему началу термодинамики), но при приближении к нему происходят удивительные явления:

1. Прекращение теплового движения

• Атомы и молекулы почти полностью перестают двигаться — сохраняются только квантовые нулевые колебания (минимальная энергия, предсказанная принципом неопределённости Гейзенберга).
• Пример: В кристаллической решётке атомы «замирают», но сохраняют микроскопические колебания.

2. Квантовые явления

• Сверхпроводимость: Некоторые материалы (например, алюминий, ниобий) теряют электрическое сопротивление. Ток течёт бесконечно долго без потерь.
• Сверхтекучесть: Жидкий гелий (He-4) при 2.17 К течёт без трения, поднимается по стенкам сосуда и просачивается через микротрещины.
• Конденсат Бозе — Эйнштейна: Атомы охлаждённого газа (например, рубидия) объединяются в единое квантовое состояние, проявляя волновые свойства.

3. Энтропия и порядок

• Энтропия (мера беспорядка) достигает минимального значения, но не нуля из-за квантовой неопределённости.
• Пример: В идеальном кристалле при 0 К энтропия была бы нулевой, но реальные кристаллы всегда имеют дефекты.

4. Почему нельзя достичь абсолютного нуля?

• Третье начало термодинамики: Для охлаждения системы до 0 К потребовалось бы бесконечное количество шагов или энергии.
• Рекорды: Самая низкая достигнутая температура — 38 пК (пикокельвин, 10 в минус 12 К), полученная в лаборатории MIT с помощью лазерного охлаждения атомов натрия.

5. Практическое применение

• Медицина: МРТ-сканеры используют сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием до 4 К.
• Квантовые компьютеры: Работают при температурах близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать шумы.

Итог

Абсолютный ноль — это теоретический предел, но приближение к нему открывает квантовые чудеса: сверхтекучесть, сверхпроводимость и конденсаты, где материя ведёт себя как волна.