Отсчет абсолютных температурных шкал (Кельвина, например) начинается с абсолютного ноля. При нем, согласно законам термодинамики, система находится в состоянии наименьшей возможной энергии. Молекулы и атомы перестают двигаться и занимают стабильные места в узлах кристаллической решетки (кроме жидкого гелия). При абсолютном ноле атомы перестают колебаться, энтропия и объем идеального газа становится равным нулю. Так почему же именно -273,15 градуса по Цельсию?
Полная остановка
Расчеты по нахождению значений абсолютного ноля начали проводить еще в XVIII веке. За дело взялись Михаил Ломоносов, Иоганн Генрих Ламберт и Гийом Амонтон, предполагающие, что у холода есть предельная степень, при которой воздух перестает быть упругим. Они измерили объем газа, по своим свойствам близкого к идеальному (гелия, к примеру). Далее, последовательно понижая температуру и проводя экстраполяцию ниже критической точки, при которой свойства газа считать идеальными нельзя, численно определили показатель в -273,15°C. Именно при такой температуре объем газа равнялся нулю.
С точки зрения квантовой физики при абсолютном нуле существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами вакуума и частиц. Если же облегчить понимание абсолютного нуля, то -273,15°C – это минимально возможная температура для физического тела во Вселенной. В смысле зависимости температурных показателей тел стоит упомянуть, что одни объекты изначально теплее других по умолчанию.
Все дело в броуновском движении, при котором микроскопические частицы твердых тел циркулируют беспорядочно. Чем динамичнее эта циркуляция, тем выше температура объекта. Таким образом, средняя кинетическая энергия атомов и молекул теплых тел выше, чем у холодных. Абсолютный ноль меняет все, вынуждая замереть весь микромир. Даже самый легкий из элементов водород полностью прекращает свое движение.
Невозможное приближение
Для физического тела температура -273,15°C является гипотетическим состоянием. В реальности никому и ничему не удавалось ее достичь. То есть частицы никогда еще полностью не останавливали свое движение. Ученым же чтобы охладить тела до этой температуры, нужен хладагент, который должен быть холоднее предельной точки. На деле получить такой материал невозможно. Для этого усредненное значение движения кинетической частицы должно быть отрицательным, что осуществимо только в том случае, когда масса объекта отрицательна. Ни то, ни другое также невозможно. Так что абсолютный ноль остается очередной отметкой на термометре.
Удивление вызывает другое: приближаясь к отметке в -273,15°C тела начинают необычно и странно себя вести. Из этих физических странностей при тотальном охлаждении можно выделить две основных. Речь идет о сверхпроводимости и сверхтекучести. Начнем издалека. Физики начали свои попытки погрузить тела в состояние абсолютного холода с 1848 года. Только в 1908 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в результате каких-то неимоверных усилий получил-таки температуру, которая была выше значения абсолютного ноля всего на 4 градуса. Вот тогда первой и была обнаружена сверхпроводимость экстремально охлажденных тел.
❗В связи участившимися случаями ограничения наших каналов и непрозрачностью контентной политики Дзена, мы занялись поиском альтернативных площадок для переноса публикаций. Вероятнее всего, такой площадкой станет приложение SFERA. Мы уже перенесли туда канал про Космос . А скоро в SFERA появится возможность добавлять длинные посты. В дальнейшем будет создан и сервис для статей.
Скачать мобильное приложение SFERA:
В подобном состоянии у них исчезало электрическое сопротивление. При том, что отток в сверхпроводящем кольце, если его не беспокоить, может течь вечно. Теперь даже ледяным фрагментам колец Сатурна приписывают сверхпроводимость. Дело в том, что замороженные кольца не были притянуты чудовищной гравитацией планеты благодаря тому, что обладают собственным магнитным полем и невероятной силой отталкивания. На Земле провели подобный опыт, который показал, как левитировавший над магнитом охлажденный сверхпроводник игнорировал его притяжение.
Бозе-конденсат
Другое странное свойство сверхтекучести обнаружили у атома гелия, охладив его до -270,95°C. Вместо того чтобы замерзнуть, гелий проник в самые мизерные отверстия и щели, чего в обычном состоянии сделать не мог. К слову, пока что гелий остается единственным элементом, не застывающим при пограничных температурах.
Глобальная заморозка позволила физикам окунуться в загадочный мир квантов, чего они не могли сделать из-за тепловой завесы, мешающей взглянуть на истинную природу тел. Твердые тела оказались сверхпроводимы, а жидкие неправдоподобно текучи. И не только. Воображение видавших виды физиков поразил конденсат Бозе – Эйнштейна. Это такое агрегатное состояние, при котором заметная доля атомов вещества находится в самом низкоэнергетическом квантовом состоянии, или основном состоянии.
При этом эти атомы ведут себя как единый квантовый объект с общей волновой функцией. К примеру, чтобы из металла сделать газ, нужно взять рубидий или натрий и охладить его практически до абсолютного нуля (всего лишь на миллиардные доли градуса выше его значения). Чтобы металлический газ не вернулся в твердое состояние, нужно изрядно потрудиться, поместив его на вакуумную ловушку в магнит. При постоянном охлаждении его атомы постепенно замедляются. Самые быстрые частицы отпускают на волю, то есть позволяют им покинуть ловушку. Оставшиеся самые медленные и оттого холодные атомы составляют конденсат. Явление само по себе уникальное.
Дело в том, что все его частицы с нулевой скоростью вообще неотличимы друг от друга. У них одинаково все: масса, заряд, энергия и т.д. Находятся они в одном месте одновременно, и каждая размазана по ограниченной области пространства (состояние когерентности). Благодаря обнаружению Бозе-конденсированных частиц многие астрофизики сейчас греются надеждой на то, что найдут объекты звездных размеров, из них состоящие. Это и будут кандидаты на роль таинственной темной материи.
Чтобы не потерять нас, подпишитесь на telegram-канал, который мы ведём для проекта SFERA. Срочные новости будут в закреплённых сообщениях.
❗️ Ставьте 👍 и подписывайтесь на наш канал!
Читайте также: