alexxlab Что такое абсолютный ноль? — Hi-News.ru
Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? На эти и другие любопытные вопросы мы постараемся ответить в этой статье.
Так что же такое абсолютный температурный ноль?
Есть масса причин, по которым стоит интересоваться пределами холодного. Возможно, вы невероятный суперзлодей, который использует силу замораживания, и хотите понять степень вашей силы. Или вам интересно, можно ли обогнать волну холода. Давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры.
«Действительно ли движение останавливается, достигая абсолютного нуля? Можем ли мы достичь этой отметки?»
Начнем с очевидного.
Содержание
- 1 Что такое абсолютный ноль?
- 2 Когда останавливаются молекулы и атомы?
- 3 Можно ли достичь абсолютного нуля градусов?
- 4 Что происходит при 0 Кельвина?
- 5 Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?
Что такое абсолютный ноль?
Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры.
Но если вдруг вам не повезло, вы выросли в лесу или на другой планете, вот краткий обзор.
Температура — это мера измерения количества внутренней случайной энергии материала. Слово «внутренней» очень важно. Бросьте снежок, и хотя основное движение будет достаточно быстрым, снежный ком останется довольно холодным. С другой стороны, если вы посмотрите на молекулы воздуха, летающие по комнате, обычная молекула кислорода жарит со скоростью тысяч километров в час.
Мы обычно умолкаем, когда речь заходит о технических деталях, поэтому специально для экспертов отметим, что температура немного более сложная вещь, чем мы сказали. Истинное определение температуры подразумевает то, сколько энергии вам нужно затратить на каждую единицу энтропии (беспорядка, если хотите более понятное слово; подробнее об энтропии). Но давайте опустим тонкости и просто остановимся на том, что случайные молекулы воздуха или воды в толще льда будут двигаться или вибрировать все медленнее и медленнее, по мере понижения температуры.
Абсолютный ноль — это температура -273,15 градусов Цельсия, -459,67 по Фаренгейту и просто 0 по Кельвину. Это точка, где тепловое движение полностью останавливается.
Когда останавливаются молекулы и атомы?
В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики. Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.
Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.
Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе.
Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.
Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.
Можно ли достичь абсолютного нуля градусов?
Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны, если что.
Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять).
Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).
Конечно, если вы хотите остыть не по-детски, вам нужно нырнуть в глубины космоса. Вся вселенная залита остатками излучения от Большого Взрыва, в самых пустых регионах космоса — 2,73 градуса по Кельвину, что немногим холоднее, чем температура жидкого гелия, который мы смогли получить на Земле век назад.
Но физики-низкотемпературщики используют замораживающие лучи, чтобы вывести технологию на совершенно новый уровень. Вас может удивить то, что замораживающие лучи принимают форму лазеров. Но как? Лазеры должны сжигать.
Все верно, но у лазеров есть одна особенность — можно даже сказать, ультимативная: весь свет излучается на одной частоте. Обычные нейтральные атомы вообще не взаимодействуют со светом, если частота не настроена точным образом. Если же атом летит к источнику света, свет получает допплеровский сдвиг и выходит на более высокую частоту.
Атом поглощает меньшую энергию фотона, чем мог бы. Так что если настроить лазер пониже, быстродвижущиеся атомы будут поглощать свет, а излучая фотон в случайном направлении, будут терять немного энергии в среднем. Если повторять процесс, вы можете охладить газ до температуры меньше одного наноКельвина, миллиардной доли градуса.
Все приобретает более экстремальную окраску. Мировой рекорд самой низкой температуры составляет менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Устройства, которые добиваются этого, захватывают атомы в магнитные поля. «Температура» зависит не столько от самих атомов, сколько от спина атомных ядер.
Теперь, для восстановления справедливости, нам нужно немного пофантазировать. Когда мы обычно представляем себе что-то, замороженной до одной миллиардной доли градуса, вам наверняка рисуется картинка, как даже молекулы воздуха замерзают на месте. Можно даже представить разрушительное апокалиптическое устройство, замораживающее спины атомов.
В конечном счете, если вы действительно хотите испытать низкую температуру, все, что вам нужно, это ждать.
Спустя примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К. Через 400 миллиардов лет глубокий космос будет таким же холодным, как самый холодный эксперимент на Земле, и после этого — еще холоднее. Если вам интересно, почему вселенная остывает так быстро, скажите спасибо нашим старым друзьям: энтропии и темной энергии. Вселенная находится в режиме акселерации, вступая в период экспоненциального роста, который будет продолжаться вечно. Вещи буду замерзать очень быстро.
Что происходит при 0 Кельвина?
Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.
Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.
Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах. К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан. В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии. Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.
При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.
32 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.
Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.
Самые низкие температуры на Земле и во Вселенной
Самая низкая в принципе
ГДЕ Нигде. В природе такое не встречается
СКОЛЬКО –273,15 °С, или 0 К (градусов Кельвина)[pullquote align=»right»][note note_color=»#dcdcdc» text_color=»#000000″ radius=»0″]
Уильям Томсон, лорд Кельвин Британский физик, специалист в области термодинамики, электродинамики и механики. В его честь названа одна из семи единиц измерения Международной системы — единица термодинамической температуры Кельвин.[/note][/pullquote]
Однажды лорд Кельвин обозвал нерасторопного дворецкого абсолютным нулём.
Так появился термин. Шутка. Более того, совсем не этот учёный первым определил самую низкую температуру.
Ещё в начале XVIII века об «абсолютном холоде» задумался французский физик Гийом Амонтон. Он обнаружил, что воздух при нагреве от 0 °С (точка замерзания воды) до 100 (кипение) увеличивает давление примерно на треть. Учёный задумался: насколько нужно охладить воздух, чтобы давление исчезло, то есть воздух превратился в твёрдое вещество? И получил –293 °С. Спустя полтора столетия британский физик Уильям Томпсон (тогда ещё не удостоенный титула лорда Кельвина), исходя из похожих соображений, рассчитал почти точное значение абсолютного нуля. Впоследствии Кельвин построил свою шкалу, отталкиваясь от этой точки.
В реальности абсолютный ноль не существует. Почему? Температуру тела создаёт движение атомов, а значит, при –273,15 °С все они должны находиться в полном покое. Но это невозможно из-за квантовых эффектов, так называемых нулевых колебаний, которые есть даже у вакуума.
Самая низкая в природе
ГДЕ Туманность Бумеранг, которая находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли
СКОЛЬКО 1 К (–272 °С)Где же попытаться найти наименьшую температуру? Наверное, там, где нет никаких источников тепла — например, в открытом космосе вдали от галактик? Увы, мы потерпим неудачу, ибо даже космическое захолустье нагрето на несколько градусов, а именно до 2,725 К, за счёт реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.
Но, оказывается, в космосе может быть что-то холоднее пустоты. В 1995 году астрономы Европейской южной обсерватории, расположенной в Чили, рассчитали, что звёздный газ в туманности Бумеранг извергается со скоростью в 600 тыс. км/ч. Такой «быстрый» газ охлаждается до 1К за счёт адиабатического процесса, суть которого в том, что если газ очень быстро расширяется, то он одновременно и охлаждается, потому что его внутренняя тепловая энергия расходуется — например, как в случае с туманностью, на увеличение газовой оболочки. Этот принцип лежит в основе работы большинства холодильников.
Самая низкая в Солнечной системе
ГДЕ Луна
СКОЛЬКО –240 °СКазалось бы, чем дальше от Солнца, тем холоднее, и в некоторой степени это верно. В тройку самых холодных мест входят спутник Нептуна Тритон (не выше –237,6 °С), Плутон (–230 °С) и, неожиданно, — Луна.
Почему так холодно на Тритоне, понятно: как-никак 4,5 миллиарда километров от Солнца. Плутон холоднее, чем должен быть, из-за того, что азотный лёд на его поверхности тает при приближении планеты к Солнцу и вновь образуется при удалении.
Надо заметить, в Солнечной системе ещё много, очень много неисследованных тел, и, вполне возможно, какие-то объекты из Облака Оорта или пояса Койпера могут подвинуть Луну с пьедестала.
Самая низкая из созданных человеком
ГДЕ Лаборатория низких температур, Хельсинкский технологический университет
СКОЛЬКО 50 пикокельвин (0,000 000 000 05 К)Многие материалы проявляют удивительные свойства при сверхнизких температурах. Например, металлы становятся сверхпроводящими, жидкости и сконденсированные газы — сверхтекучими. При температуре около абсолютного нуля существует конденсат Бозе — Эйнштейна, состояние вещества, при котором все атомы приобретают один и тот же энергетический уровень и становятся неотличимы друг от друга.
Весной этого года физик Марк Касевич и его коллеги из Стэнфордского университета смогли охладить конденсат из 100 тысяч атомов рубидия до температуры около 50 пикокельвин, говорится в статье, опубликованной в Physical Review Letters. Таких показателей удалось достигнуть с помощью специального лазера, подавлявшего движение атомов.
Самая низкая на Земле
ГДЕ Станция «Восток», Антарктида
СКОЛЬКО –89,2 °СВосток — дело не только тонкое, но и очень холодное, если речь идёт об антарктической станции. Температурный рекорд –89,2 °С, зафиксированный советскими метеорологами в 1983 году, сейчас пытаются оспорить. Например, недавно сообщалось, что рядом с японской полярной станцией «Купол Фудзи» было на два градуса холоднее. Однако измерение проводилось с помощью спутника, а он считывает только температуру поверхности, а не воздуха.
За право считаться полюсом холода в Северном полушарии борются два населённых пункта в Якутии: город Верхоянск и село Оймякон (на самом деле правильнее говорить о местности Оймякон, ибо наблюдения ведутся в 40 километрах от села).
Впрочем, защитники Оймякона не сдаются и не только пытаются подвинуть соседей-соперников, но и посягают на общемировой рекорд. Станция «Восток», справедливо замечают они, находится на высоте более трёх километров над уровнем моря, а Оймякон — 700 метров, и если привести их к одному уровню, Оймякон будет самым холодным местом на планете. В этих рассуждениях, правда, забывается Верхоянск, находящийся чуть более чем в сотне метрах над уровнем моря.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера»
Температура ниже абсолютного нуля
Атомы с отрицательной абсолютной температурой — самые горячие системы в мире
То, что нормально для большинства людей зимой, до сих пор было невозможно в физике: минусовая температура. Минусовые температуры по шкале Цельсия удивляют только летом. В абсолютной шкале температур, используемой физиками и называемой также шкалой Кельвина, невозможно опуститься ниже нуля — по крайней мере, не в том смысле, что становится холоднее нуля градусов Кельвина.
По физическому смыслу температуры температура газа определяется хаотическим движением его частиц – чем газ холоднее, тем медленнее частицы. При нуле Кельвина (минус 273 градуса по Цельсию) частицы перестают двигаться, и весь беспорядок исчезает. Таким образом, ничего не может быть холоднее абсолютного нуля по шкале Кельвина. Физики из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали в лаборатории атомарный газ, который, тем не менее, имеет отрицательные значения Кельвина. Эти отрицательные абсолютные температуры имеют несколько явно абсурдных последствий: хотя атомы в газе притягиваются друг к другу и создают отрицательное давление, газ не коллапсирует — поведение, которое также постулируется для темной энергии в космологии. Предположительно невозможные тепловые двигатели, такие как двигатель внутреннего сгорания с термодинамическим КПД более 100%, также могут быть реализованы с помощью отрицательных абсолютных температур.
Чтобы довести воду до кипения, необходимо добавить энергию.
По мере нагревания воды молекулы воды со временем увеличивают свою кинетическую энергию и в среднем движутся все быстрее и быстрее. Однако отдельные молекулы обладают разной кинетической энергией — от очень медленной до очень быстрой. Низкоэнергетические состояния более вероятны, чем высокоэнергетические, т. е. только несколько частиц движутся очень быстро. В физике это распределение называется распределением Больцмана. Физики, работающие с Ульрихом Шнайдером и Иммануэлем Блохом, создали газ, в котором это распределение точно перевернуто: многие частицы обладают высокими энергиями, и лишь немногие имеют низкие энергии. Эта инверсия распределения энергии означает, что частицы приобрели отрицательную абсолютную температуру.
«Перевернутое распределение Больцмана является признаком отрицательной абсолютной температуры; и это то, чего мы достигли», — говорит Ульрих Шнайдер. «Все же газ не холоднее нуля кельвинов, а горячее, — поясняет физик, — он даже горячее, чем при любой положительной температуре — шкала температур просто не заканчивается на бесконечности, а вместо этого скачет к отрицательным значениям».
Отрицательная температура может быть достигнута только при наличии верхнего предела энергии
Значение отрицательной абсолютной температуры лучше всего можно проиллюстрировать с помощью катящихся сфер в холмистой местности, где долины соответствуют низкой потенциальной энергии, а холмы – низкой потенциальной энергии. высокий. Чем быстрее движутся сферы, тем выше их кинетическая энергия: если начать при положительных температурах и увеличить общую энергию сфер путем их нагрева, сферы будут все больше распространяться в области высокой энергии. Если бы можно было нагреть сферы до бесконечной температуры, то была бы равная вероятность найти их в любой точке ландшафта, независимо от потенциальной энергии. Если бы теперь можно было добавить еще больше энергии и тем самым еще больше нагреть сферы, они предпочтительно собирались бы в высокоэнергетических состояниях и были бы еще более горячими, чем при бесконечной температуре. Распределение Больцмана было бы обратным, и поэтому температура была бы отрицательной.
Эта инверсия заселенности энергетических состояний невозможна в воде или любой другой природной системе, поскольку системе необходимо поглощать бесконечное количество энергии — невозможный подвиг! Однако если у частиц есть верхний предел их энергии, такой как вершина холма в ландшафте потенциальной энергии, ситуация будет совершенно иной. Исследователи из исследовательской группы Иммануэля Блоха и Ульриха Шнайдера теперь реализовали такую систему атомарного газа с верхним энергетическим пределом в своей лаборатории, следуя теоретическим предложениям Алларда Моска и Ахима Роша.
В своем эксперименте ученые сначала охлаждают около ста тысяч атомов в вакуумной камере до положительной температуры в несколько миллиардных долей Кельвина и захватывают их в оптические ловушки, сделанные из лазерных лучей.
При отрицательных температурах двигатель может совершать больше работы
Если сферы обладают положительной температурой и лежат в долине при минимальной потенциальной энергии, то это состояние, очевидно, устойчиво – это природа, какой мы ее знаем.
Если сферы расположены на вершине холма с максимальной потенциальной энергией, они обычно скатываются вниз и таким образом преобразуют свою потенциальную энергию в кинетическую энергию. «Однако, если сферы находятся при отрицательной температуре, их кинетическая энергия уже будет настолько велика, что не сможет увеличиваться дальше», — объясняет Саймон Браун, докторант исследовательской группы. «Таким образом, сферы не могут скатиться вниз и остаются на вершине холма. Таким образом, предел энергии делает систему стабильной!» Состояние с отрицательной температурой в их эксперименте действительно столь же стабильно, как и состояние с положительной температурой. «Таким образом, мы создали первое состояние с отрицательной абсолютной температурой для движущихся частиц», — добавляет Браун.
Материя при отрицательной абсолютной температуре имеет целый ряд поразительных последствий: с ее помощью можно было бы создавать тепловые двигатели типа двигателей внутреннего сгорания с КПД более 100%.
Однако это не означает, что нарушается закон сохранения энергии. Вместо этого двигатель мог поглощать энергию не только из более горячей среды и тем самым совершать работу, но, в отличие от обычного случая, и из более холодной среды.
При чисто положительных температурах более холодная среда неизбежно нагревается в противоположность этому, поглощая часть энергии горячей среды и тем самым ограничивая эффективность. Если горячая среда имеет отрицательную температуру, то возможно одновременное поглощение энергии обеих сред. Таким образом, работа, выполняемая двигателем, больше, чем энергия, получаемая только от более горячей среды — КПД превышает 100 процентов.
Достижение мюнхенских физиков может быть дополнительно интересно для космологии, поскольку термодинамическое поведение отрицательной температуры имеет параллели с так называемой темной энергией. Космологи постулируют темную энергию как неуловимую силу, ускоряющую расширение Вселенной, хотя на самом деле космос должен сжиматься из-за гравитационного притяжения между всеми массами.
Аналогичное явление наблюдается и в атомном облаке в мюнхенской лаборатории: эксперимент основан на том факте, что атомы в газе не отталкиваются друг от друга, как в обычном газе, а взаимодействуют притягивающе. Это означает, что атомы оказывают отрицательное, а не положительное давление. Как следствие, атомное облако хочет сжаться и должно действительно схлопнуться — как и следовало ожидать для Вселенной под действием гравитации. Но из-за его отрицательной температуры этого не происходит. Газ спасен от коллапса точно так же, как Вселенная.
CM/PH
Что такое абсолютный ноль? Температура в градусах Кельвина, Цельсия и Фаренгейта °F.
Абсолютный ноль определяется как температура, при которой охлажденный идеальный газ находится в самом низком энергетическом состоянии. Другими словами, это точка, в которой больше нельзя отводить тепло. В то время как температура кипения и точка плавления зависят от природы материала, абсолютный ноль одинаков для всех веществ.
Материя проявляет необычные свойства, поскольку она близка к абсолютному нулю, включая сверхпроводимость, сверхтекучесть и формирование состояния материи, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Абсолютный ноль в градусах Кельвина, Цельсия и Фаренгейта
Абсолютный ноль равен 0 K, -273,15 °C или -459,67 °F. Обратите внимание, что у температуры Кельвина нет символа градуса. Это связано с тем, что шкала Кельвина является абсолютной шкалой, а шкалы Цельсия и Фаренгейта являются относительными шкалами, основанными на температуре замерзания воды.
Как работает абсолютный ноль
Одно из распространенных заблуждений относительно абсолютного нуля состоит в том, что материя перестает двигаться или застывает на месте. Теоретически абсолютный ноль — это самая низкая возможная температура, но не самая низкая возможная энтальпия. Это связано с тем, что абсолютный нуль определен для идеального газа. При очень низких температурах поведение реального вещества отличается от поведения идеального газа.
При абсолютном нуле материя находится в самом низком энергетическом состоянии, но у нее все еще есть энергия от вибрации химических связей, орбит электронов и движений внутри атомного ядра. Понижение температуры до абсолютного нуля похоже на то, как человек замедляет бег и становится неподвижным. Большая часть кинетической энергии удаляется, но сердце человека бьется, легкие вдыхают и выдыхают, а потенциальная энергия еще остается.
Сможем ли мы когда-нибудь достичь абсолютного нуля?
Согласно законам термодинамики невозможно достичь абсолютного нуля только термодинамическими методами. Мы можем приблизиться к абсолютному нулю очень, очень близко, но никогда не сможем его достичь, во многом благодаря принципу неопределенности Гейзенберга. Для любой частицы вы не можете знать ее импульс и точное положение. При абсолютном нуле импульс равен нулю. По сути, даже если ученые добьются абсолютного нуля, они не смогут его измерить.
Но мы можем приблизиться к абсолютному нулю! В 2015 году ученые Массачусетского технологического института охладили смесь газообразных атомов натрия и калия до температуры 450 нанокельвинов.
Космические исследования могут пойти еще дальше. Лаборатория холодного атома (CAL) — это эксперимент, разработанный для Международной космической станции, в котором можно достичь температуры до 10 пикокельвинов (10–12 К).
Самая низкая из когда-либо зарегистрированных температур
Возможно, вас удивит, что самые низкие из когда-либо зарегистрированных температур были получены в лабораториях здесь, на Земле. Из-за фонового излучения в глубоком космосе не так уж и холодно (2,73 К). Пока что туманность Бумеранг является самым холодным местом в природе с температурой около 1 К.
Отрицательная температура по Кельвину
Хотя мы не можем достичь абсолютного нуля, в 2013 году исследователи создали квантовый газ из атомов калия, который достиг отрицательной температуры. Температуры Кельвина в терминах степеней свободы движения. Хотя это нелогично, отрицательные температуры на самом деле не холоднее абсолютного нуля. На самом деле их можно считать бесконечно более горячими, чем положительная температура.