Многие интересные эффекты начинают регистрироваться именно при приближении к экстремально низким температурам. Речь идёт преимущественно об эффектах и явлениях из области квантовой физики. Знаменитый конденсат Бозе-Эйнштейна или существование суперпозиции в квантовом компьютере, сверхпроводимость или сверхтекучесть - во всех этих случаях то или иное свойство проявляется ближе к абсолютному нулю. Но почему именно так?
Холод - это не только неприятная характеристика погоды на улице. В первую очередь мы говорим про состояние термодинамической системы. У "участников" такой системы есть некоторая характеристика, именуемая температурой. По сути температура - это мера энергии движения частичек, входящих в состав системы. Если очень грубо, то в холодный день частицы воздуха перемещаются медленнее, чем в жару.
Ну а абсолютный ноль, как вы вероятно помните называют ещё состоянием тепловой смерти. Атомы перестают двигаться и всё окружающее вещество теряет свою тепловую энергию. Это самая низкая температура, которая может существовать в природе. Хотя последнее утверждение тоже подвергается сомнению.
Но что происходит с физической точки зрения? Почему именно при абсолютном нуле можно говорить про существование конденсата Бозе-Эйнштейна и работе квантовых явлений?
Мы не случайно сказали, что чем ниже температура, тем менее интенсивно движутся частицы и практически не проявляют себя дополнительные тепловые процессы.
Недавно я писал в телеге проекта про препятствие для проявления квантовых свойств в макромире. По сути макроявления настолько значительнее, чем тот или иной квантовый эффект, что у квантового явления просто не остаётся шансов продемонстрировать себя.
Почему квантовые компьютеры работают только при сверхнизких температурах? Потому что состояние квантовой суперпозиции, в котором должен находиться объект и которое потом должен измерить наблюдатель, разрушается от любого неверного шага. Любое движение частички может разрушить суперпозицию и нечего будет измерять.
Так вот тепловые явления по отношению к квантовым эффектам - это явления макромира. Интенсивное движение частичек легко может разрушить квантовую картину. Тут и запутанность пропадёт, и сверхпроводимости не будет.
Тепловая энергия, связанная с движением частиц, исчезает при абсолютном нуле. Это означает, что в системе больше нет теплового шума или флуктуаций. Энтропия системы при этом достигает своего минимального значения, которое является фундаментальным пределом. Ничто не будет мешать квантовым явлениям.
Потому и получается построить такую интересную штуку, как квантовую материю, которая проявляет свойство согласованности состояния для каждой частички. Это мы про конденсат Бозе-Эйнштейна. Ничто не мешает системе вести себя таким образом, тогда как в реальном случае "тепловой шум" помешал бы частичкам быть согласованными.
Отсюда растут ножки и у сверхтекучести. Сверхтекучесть возникает из-за уникального поведения частиц при экстремально низких температурах. При этих температурах частицы в жидкости начинают вести себя как единое целое, а не как отдельные частицы. Это вновь конденсат Бозе-Эйнштейна.
В этом варианте частицы занимают одно и то же квантовое состояние. Они имеют одинаковую энергию и импульс. Это приводит к макроскопической волновой функции, которая описывает поведение всей системы. Потому и протекает сверхтекучий гелий через стенку сосуда.
Впрочем, проявят себя и не только квантовые эффекты. Например, явление сверхпроводимости к квантовым не относится, но наличие "внутреннего трения" в обычном проводнике при нормальным температурах тоже зависит от энергии частиц этой системы. Ниже температура - ниже трение. Электрический ток сможет проходить практически без сопротивления, поскольку частицы не будут ему "мешать".
Мораль простая - в обычном случае мы не можем наблюдать квантовые явления и связанные интересные эффекты, поскольку квантовое состояние разрушается тепловым движением. Нужно избавиться от него и тогда мы увидим более интересные штуки.
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта! Там самое интересное по теме.
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!