Еще со школьной скамьи мы хорошо знаем, что при повышении температуры атомы в веществе двигаются быстрее, а при понижении — замедляются. Но что происходит при абсолютном нуле? И можно ли достичь температуры в -273,16 градусов по Цельсию?
Что такое температура?
В классической термодинамике понятие температуры связано с тепловым равновесием. Если у нас есть две изолированные системы A и B, находящиеся в равновесии, и мы соединяем их для теплообмена, то они будут взаимодействовать до тех пор, пока не достигнут равновесного состояния.
Этот тип равновесия называется термическим равновесием, и в нем тепло обменивается между системами A и B, сохраняя их состояния неизменными.
Абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина, является свойством термодинамических систем и описывает этот процесс теплообмена. Абсолютная температура начинается с абсолютного нуля, который соответствует -273,16 градусам по Цельсию.
Что происходит при абсолютном нуле?
При достижении абсолютного нуля температуры, термодинамическая система достигает своего минимального уровня энергии, что влечет за собой прекращение поступательного, вращательного и колебательного движения атомов и молекул. Тем не менее, внутриатомные движения, такие как колебания протонов, нейтронов и электронов, остаются возможными, а также существуют нулевые колебания.
При абсолютном нуле температуры практически все вещества переходят в кристаллическое состояние, хотя есть некоторые исключения. Например, из-за небольшой атомной массы гелия и слабого взаимодействия между его атомами, при атмосферном давлении гелий не замораживается даже при близкой к абсолютному нулю температуре.
Рассмотрим теперь квантовую механику. Если удалось бы охладить термодинамическую систему, как, например, комнату, до абсолютного нуля, то давление в этой системе также снизилось бы до нуля, и воздух внутри комнаты осел бы на поверхности.
Однако на масштабах атомов доминирует неопределенность Гейзенберга. Понятие классического движения становится несостоятельным, и частицы могут изменять свои положения, "перемещаясь" без перемещения физически (это тепловое движение, которое пропадает на абсолютном нуле). В реальных системах это быстро привело бы к нагреву газа выше абсолютного нуля.
При приближении температуры к абсолютному нулю начинают проявляться интересные квантовые эффекты, включая сверхпроводимость и сверхтекучесть. Сама энтропия системы достигает минимума на абсолютном нуле, и все термодинамические параметры стремятся к нулю.
Тем не менее, абсолютный ноль недостижим в реальных условиях, так как было бы необходимо аннигилировать все тепловое движение, что физически невозможно. Это аналогично попытке достичь скорости света для объекта с массой.
В среднем во Вселенной температура приближается к абсолютному нулю, и на данный момент поддерживается реликтовым излучением, на уровне около 2,7 Кельвина. Однако ученым удалось приблизиться к абсолютному нулю при помощи лазеров, как в случае исследователей из Helsinki University of Technology, которые достигли температуры 0,1×10-9 К в 2000 году.
Согласно теории тепловой смерти Вселенной, через миллиарды лет радиационный фон охладится до 1К, а через еще больший период температура составит около 0,01К. В долгосрочной перспективе Вселенная будет близка к абсолютному нулю, но недостижимость этой точки останется фундаментальной.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!