Задумывались ли вы над тем, насколько низкой может быть температура? Что представляет собой абсолютный ноль? Удастся ли человечеству когда-нибудь его достичь и какие возможности откроются после такого открытия? Эти и другие подобные вопросы издавна занимали умы многих физиков да и просто любознательных людей.
Что есть абсолютный ноль
Даже если с детства не любили физику, вам наверняка знакомо понятие температуры. Благодаря молекулярно-кинетической теории теперь мы знаем, что между ней и движениями молекул и атомов существует определенная статическая связь: чем больше температура любого физического тела, тем быстрее движутся его атомы, и наоборот. Возникает вопрос: «Существует ли такая нижняя граница, при которой элементарные частицы застынут на месте?». Ученые считают, что это теоритически возможно, столбик термометра окажется на отметке -273,15 градуса по шкале Цельсия. Данное значение получило название абсолютный ноль. Другими словами, это минимально возможный предел, до которого может быть охлаждено физическое тело. Есть даже абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина), в которой абсолютный ноль является точкой отсчета, а единичное деление шкалы равно одному градусу. Ученые по всему миру не прекращают работы по достижению данного значения, так как это сулит человечеству огромные перспективы.
Почему это так важно
Предельно низкие и предельно высокие температуры тесно связаны с понятием сверхтекучести и сверхпроводимости. Исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводниках позволит достичь немыслимых значений КПД и исключить любые потери энергии. Если бы удалось найти способ, который позволит свободно достичь значения "абсолютный нуль", многие проблемы человечества были бы решены. Поезда, парящие над рельсами, более легкие и менее объемные двигатели, трансформаторы и генераторы, высокоточная магнитоэнцефалография, высокоточные часы - вот лишь несколько примеров того, что может принести сверхпроводимость в нашу жизнь.
Последние научные достижения
В сентябре 2003 года исследователи из MIT и NASA сумели охладить газ натрий до рекордно низкого значения. В ходе эксперимента до финишной отметки (абсолютный ноль) им не хватило всего половины миллиардной доли градуса. В процессе тестов натрий все время находился в магнитном поле, которое удерживало его от прикосновения к стенкам контейнера. Если бы удалось преодолеть температурный барьер, молекулярное движение в газе полностью бы остановилось, ведь такое охлаждение извлекло бы всю энергию из натрия. Исследователи применили методику, автор которой (Вольфганг Кеттерле) получил в 2001 году Нобелевскую премию по физике. Ключевым моментом в проводимых тестах были газовые процессы конденсации Бозе-Эйнштейна. Меж тем, никто еще не отменял третье начало термодинамики, согласно которому абсолютный ноль - это не только непреодолимая, но и недостижимая величина. К тому же действует принцип неопределенности Гейзенберга, и атомы просто не могут остановиться как вкопанные. Таким образом, пока что абсолютный нуль температуры для науки остается недостижимым, хоть ученые и смогли приблизиться к нему на ничтожно маленькое расстояние.
Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?
Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.
Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что
Отсюда абсолютный нуль температуры равен
* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.
Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.
Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) - выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.
Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.
Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой
(3.7.6)
На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.
Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.
Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.
Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как
(3.7.7)
Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.
Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:
(3.7.8)
Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.
Абсолютный нуль температуры
Абсолю́тный нуль температу́ры (реже - абсолютный ноль температуры ) - минимальный предел температуры , которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина . В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C .
При температурах, близких к абсолютному нулю, на макроскопическом уровне могут наблюдаться чисто квантовые эффекты, такие как:
Wikimedia Foundation . 2010 .
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ - начало отсчёта термодинамич. темп ры; расположен на 273,16 К ниже темп ры тройной точки (0,01°С) воды (на 273, 15°С ниже нуля темп ры по шкале Цельсия, (см. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ). Существование термодинамической температурной шкалы и А. н. т.… … Физическая энциклопедия
абсолютный нуль температуры - начало отсчёта абсолютной температуры по термодинамической температурной шкале. Абсолютный нуль расположен на 273,16ºC ниже температуры тройной точки воды, для которой принято значение 0,01ºC. Абсолютный нуль температуры принципиально недостижим… … Энциклопедический словарь
абсолютный нуль температуры - absoliutusis nulis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273,16 K žemiau trigubojo vandens taško. Pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį, absoliutusis nulis nepasiekiamas. atitikmenys: angl.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Абсолютный нуль температуры - начальный отсчет по шкале Кельвина, составляет по шкале Цельсия отрицательную температуру в 273,16 градуса … Начала современного естествознания
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температуры, начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале. Абсолютный нуль расположен на 273,16шC ниже температуры тройной точки воды (0,01шC). Абсолютный нуль принципиально недостижим, практически достигнуты температуры,… … Современная энциклопедия
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температуры начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале. Абсолютный нуль расположен на 273,16 .С ниже температуры тройной точки воды, для которой принято значение 0,01 .С. Абсолютный нуль принципиально недостижим (см.… … Большой Энциклопедический словарь
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температура, выражающая отсутствие теплоты, равна 218° Ц. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Павленков Ф., 1907. абсолютный нуль температуры (физ.) – наиболее низкая возможная температура (273,15°C). Большой словарь… … Словарь иностранных слов русского языка
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температуры, начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале (см. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА). Абсолютный нуль расположен на 273,16 °С ниже температуры тройной точки (см. ТРОЙНАЯ ТОЧКА) воды, для которой принято… … Энциклопедический словарь
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - предельно низкая температура, при которой прекращается тепловое движение молекул. Давление и объем идеального газа, согласно закону Бойля Мариотта, становится равным нулю, а за начало отсчета абсолютной температуры по шкале Кельвина принимается… … Экологический словарь
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - начало отсчета абсолютной температуры. Соответствует 273,16° С. В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный нуль всего на несколько миллионных долей градуса, достичь же его, согласно законам… … Энциклопедия Кольера
Которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина . В 1954 году X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C или -459,67 °F (по Фаренгейту).
В 1703 г. французский физик Гийом Амонтон (фр. Guillaume Amontons) представил воздушный термометр , в котором за нуль шкалы принималась температура, при которой воздух «теряет всю свою упругость». Рассчитанное им значение составило −239,5 °C.
В кинетической теории теплоты М. В. Ломоносова теплота объясняется «коловратным» движением. Прекращение движения означает предельную степень холода (по современной терминологии, абсолютный нуль).
В вышедшей в 1779 г. работе «Пирометрия» немецкий учёный Ламберт (нем. Johann Heinrich Lambert) уточнил полученное Амонтоном значение и получил −270 °C
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; ). 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.
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 , 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 .
Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и . 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.
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. 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.
Давайте взглянем на другую крайность. Если температура - это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?
Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое. Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка». Это был миг длиной в 10^-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас. Температура в то время была примерно 10^32 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.
