Что называется абсолютным нулем температуры: Абсолютный нуль температуры | это… Что такое Абсолютный нуль температуры?

Что такое абсолютный ноль и можно ли его достичь. A. Абсолютный нуль

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы. Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры .

Температура, определяемая равенством (2), называется

абсолютной температурой . Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k . Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в «точку») при неизменном давлении, называется абсолютным нулем . Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac{m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i}{2}\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль — температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул . Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T 0 = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T 0 таяния льда и температуры кипения воды (T 0 + 100):

\(~\frac{p_1V}{N} = kT_0 ;\) \(~\frac{p_2V}{N} = k(T_0 + 100) . \)

Разделим второе уравнение на первое, получим:

\(~\frac{p_2}{p_1} = \frac{T_0 + 100}{T_0} .\)

\(~T_0 = \frac{100}{\frac{p_2}{p_1} — 1} = \frac{100}{1,3661 — 1} = 273,15 K.\)

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

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? Если вам интересно, можно ли обогнать волну холода, давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры…

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? Если вам интересно, можно ли обогнать волну холода, давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры…

Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры. 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.

Все 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 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.

Как низко можно пасть?

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.

Какое нам дело?

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.

Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?

Давайте взглянем на другую крайность. 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.

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.

Абсолютный ноль температур

Абсолю́тный ноль температу́ры — это минимальный предел температуры , которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы , например, шкалы Кельвина . По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

Считается, что абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки . Однако, на самом деле, даже при абсолютном нуле температуры регулярные движения составляющих вещество частиц останутся . Оставшиеся колебания, например нулевые колебания , обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума , их окружающего.

В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса; достичь же его самого, согласно законам термодинамики, невозможно.

Примечания

Литература

• Г. Бурмин. Штурм абсолютного нуля. — М.: «Детская литература», 1983.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Абсолютный ноль температуры
• Абсолютный нуль температур

Смотреть что такое «Абсолютный ноль температур» в других словарях:

Абсолютный нуль температур — Абсолютный ноль температуры это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует… … Википедия

АБСОЛЮТНЫЙ НОЛЬ — АБСОЛЮТНЫЙ НОЛЬ, температура, при которой все компоненты системы обладают наименьшим количеством энергии, допустимым по законам КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ; ноль на шкале температур по Кельвину, или 273,15 °С (459,67° по Фаренгейту). При этой температуре … Научно-технический энциклопедический словарь

Абсолютная шкала температур

Абсолютная термодинамическая температура — Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия

Абсолютная температурная шкала — Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия

Предельную температуру, при которой объем идеального га­за становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия.
Приравнивая объем V в формуле (3.1) нулю и учитывая, что

.

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

t = –273 °С. 2

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «на­ибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Наибольшие температуры на Земле – сотни миллионов граду­сов – получены при взрывах термоядерных бомб. Еще более высокие температуры характерны для внутренних областей некоторых звезд.

2Более точное значение абсолютного нуля: –273,15 °С.

Шкала 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

Т = t + 273. (3.2)

На рис. 3.2 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:

Таким образом, абсолютная температура по определению, да­ваемому формулой (3.2), являет­ся производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения a.

Читатель: А какой физический смысл имеет абсолютная температура?

Запишем выражение (3.1) в виде

.

Учитывая, что температура по шкале Кельвина связана с температурой по шкале Цельсия соотношением Т = t + 273, получим

где Т 0 = 273 К, или

Поскольку это соотношение справедливо для произвольной температуры Т , то закон Гей-Люссака можно сформулировать так:

Для данной массы газа при р = const выполняется соотношение

Задача 3.1. При температуре Т 1 = 300 К объем газа V 1 = 5,0 л. Определите объем газа при том же давлении и температуре Т = 400 К.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В6, С2.

Задача 3.2. При изобарическом нагревании объем воздуха увеличился на 1 %. На сколько процентов повысилась абсолютная температура?

= 0,01.

Ответ : 1 %.

Запомним полученную формулу

СТОП! Решите самостоятельно: А2, А3, В1, В5.

Закон Шарля

Французский ученый Шарль экспериментально установил, что если нагревать газ так, чтобы его объем оставался постоянным, то давление газа будет увеличиваться. Зависимость давления от температуры имеет вид:

р (t ) = p 0 (1 + bt ), (3.6)

где р (t ) – давление при температуре t °С; р 0 – давление при 0 °С; b – температурный коэффициент давления, который одинаков для всех газов: 1/К.

Читатель: Удивительно, что температурный коэффициент давления b в точности равен температурному коэффициенту объемного расширения a!

Возьмем определенную массу газа объемом V 0 при температуре Т 0 и давлении р 0 . В первый раз, поддерживая давление газа постоянным, нагреем его до температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь объем V 1 = V 0 (1 + at ) и давление р 0 .

Во второй раз, поддерживая объем газа постоянным, нагреем его до той же температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь давление р 1 = р 0 (1 + bt ) и объем V 0 .

Так как в обоих случаях температура газа одинакова, то справедлив закон Бойля–Мариотта:

p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ р 0 V 0 (1 + at ) = р 0 (1 + bt )V 0 Þ

Þ 1 + at = 1 + bt Þ a = b.

Так что ничего удивительного в том, что a = b, нет!

Перепишем закон Шарля в виде

.

Учитывая, что Т = t °С + 273 °С, Т 0 = 273 °С, получим

Почему абсолютный нуль недостижим

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 и просто любознательных людей.  

Вс 13 октября 2019, 10:00

Фото: wikipedia.org, travelask.ru

Знать температуру своего тела, воздуха за окном, воды, наполняющей ванну или бассейн, и множества других явлений и предметов, окружающих современного человека, стало делом привычным, а процесс измерения – простым и доступным каждому. Каждый имеет свое представление температуре. Есть температура на улице, есть температура больного, есть комнатная температура.

Первым свою температурную шкалу предложил в 1714 году немецкий физик Габриэль Фаренгейт. В1709 году он изготовил спиртовой термометр, в 1714 году – ртутный. За нуль температуры он предложил принять температуру таяния смеси льда с нашатырем или поваренной солью. По шкале Фаренгейта температура таяния льда равна +32 °F, а температура кипения воды при нормальном давлении равна +212 °F. Таким образом, интервал от точки таяния льда до точки кипения воды по шкале Фаренгейта равен 180°. Нормальная температура человека по этой шкале 100°F. Однако измерения в те времена были не так точны и получилось, что в действительности он ошибся на пару градусов. Если по Цельсию температура тела здорового человека равна 36,6°С, то по шкале Фаренгейта это будет 97.88°F.

Спустя 30 лет шведский астроном А. Цельсий предложил свою температурную шкалу, где основными точками стали температура таяния льда и точка кипения воды. Эта шкала получила название «шкалы Цельсия», она до сих пор популярна в большинстве стран мира, в том числе и в России. 

В 1802 году, проводя свои знаменитые опыты, французский ученый Ж. Гей-Люссак обнаружил, что объем массы газа при постоянном давлении находится в прямой зависимости от температуры. Но самое любопытное состояло в том, что при изменении температуры на 10 по шкале Цельсия, объем газа увеличивался или уменьшался на одну и ту же величину. Произведя необходимые вычисления, Гей-Люссак установил, что эта величина равнялась 1/273 от объема газа при температуре, равной 0С.

Следует различать температуру нуля и температуру Абсолютного Нуля. Первое — это температура, при которой замерзает вода. А вот Абсолютным Нулём называется температура на несколько градусов холоднее, а именно — на минус 273,15 градуса по шкале Цельсия. Каждый из этих показателей человек понимает практически интуитивно, но такое восприятие довольно далеко от научного взгляда на температуру.

В действительности, температура — это понятие из раздела физики — термодинамика. Термодинамика вообще весьма оригинальный раздел физики — у нее есть целых 3 начала и до сих пор не обнаружено ни единого конца. Третье начало термодинамики имеет много различных формулировок, но смысл их, в конце концов, один — «абсолютный нуль не достижим».

Попробуем разобраться, что же такое абсолютный нуль. Измерение температуры дело довольно сложное — для начала следует понять, что такое температура. В термодинамике степень нагретости тела определяется как скорость броуновского (хаотического) движения его молекул. Нагрев (передача телу тепловой энергии) приводит к тому, что молекулы начинают двигаться все быстрее, тело сначала плавится, затем полученная жидкость закипает, далее молекулы начинают двигаться все с большей скоростью и образуется газ. Попробуем представить обратный процесс — мы отнимаем у тела тепло. Поначалу газ конденсируется в жидкость, затем она превращается в твердое тело. Дальнейшее охлаждение приводит к еще большему замедлению молекул, вернее скорости их колебания возле узлов кристаллической решетки. Сразу возникает вопрос можно ли охлаждением добиться полного прекращения броуновского движения? 

Физическое понятие «абсолютный нуль температуры» имеет для современной науки очень важное значение. При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями. 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. 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, вот лишь несколько примеров того, что может принести сверхпроводимость в нашу жизнь.

В середине 19 века английский физик У. Томсон смог убедить ученый мир, что невозможен процесс, в котором тепло самопроизвольно переходит от холодного тела к нагретому телу. Затем, в 1848 году он предложил ввести температурную шкалу, где началом отсчета будет температура, при которой прекращается броуновское движение, а один градус будет равняться градусу Цельсия. Температуру, при которой прекращается броуновское движение условились называть абсолютным нолем. Достижения физика не остались незамеченными — королева Виктория возвела ученого в дворянский сан, дав Томсону титул барона и лорда Кельвина. А температурную шкалу назвали шкалой Кельвина.

Температурная шкала Цельсия, термодинамическая шкала Кельвина и шкала Фаренгейта

Еще два с половиной столетия назад некоторые ученые предполагали, что в межзвездном пространстве стоят невообразимые холода в тысячи градусов ниже нуля по Цельсию. Однако в 19 веке стало ясно, что таких морозов в природе быть не может. Согласно вычислениям, температура -273,15 °С является самой минимальной из возможных или абсолютным нулем. С этой температуры начинается отсчет температурной шкалы Кельвина. Однако любая температурная шкала требует введение хотя бы одной реперной точки. В 1954 году для термодинамической температуры в ее качестве была принята тройная точка воды (температура при которой вода находится в равновесии сразу в 3 агрегатных состояниях) равная 0.01 °С. Абсолютный нуль температуры — это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Он служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C. (Википедия). 

В классической физике при абсолютном нуле останавливается все, но в 20 веке появилась квантовая механика. Одним из предсказаний квантовой механики, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга. 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 стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Меж тем, никто еще не отменял третье начало термодинамики, согласно которому абсолютный нуль – 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.

Валериан Чупин

Источник информации: Чайковские.Новости

ЛЕНТА НОВОСТЕЙ

Около сотни ДТП с участием детей-пассажиров произошло в Прикамье в 2022 году

Четверо из них погибли в результате нарушения правил перевозки детей

Вт 31 января 2023, 17:04

Комментариев: 0

С визитом из Перми

Сегодня, 24 января, в Чайковском работает депутат Законодательного Собрания Пермского края, руководитель фракции «Новые люди» в ЗС Пермского края, руководитель регионального отделения партии Денис Шитов 

Вт 24 января 2023, 12:32

Комментариев: 8

Промышлял на садовых участках и попался полиции

Почти четыре года колонии ждёт чайковца за кражи с семи садовых участков

Cб 21 января 2023, 09:17

Комментариев: 1

В Чайковском будет оборудована только одна крещенская купель

Официально разрешённое место для крещенских купаний будет устроено в парке культуры и отдыха – на территории причала № 3

Ср 18 января 2023, 10:07

Комментариев: 1

Чайковцы за раздельный сбор отходов

После новогодних праздников жители сдали на «Разделяйку» почти целую «Газель» отходов

Ср 25 января 2023, 17:24

Комментариев: 4

Датабанк наградил лучших учителей города Чайковского

В минувшие выходные в Чайковском были подведены итоги юбилейного 30-го муниципального этапа всероссийского конкурса «Учитель года – 2023». Абсолютным победителем профессионального состязания стала Малыгина Ольга Владимировна – учитель географии МБОУ СОШ №11.

Ср 01 февраля 2023, 13:57

Комментариев: 1

ЦГБ снова с томографом

В Чайковской центральной городской больнице в ближайшее время будет введён в эксплуатацию компьютерный томограф экспертного класса

Пт 13 января 2023, 12:26

Комментариев: 6

Виноват алкоголь!

Житель Чайковского избил собутыльника, за что вскоре предстанет перед судом

Пн 23 января 2023, 09:07

Комментариев: 0

ЛЕНТА НОВОСТЕЙ

Приёмная депутата только открылась, и сразу поступило от чайковцев 10 обращений Жители Чайковского округа рассказали о наболевших проблемах на приёме у депутата Заксобрания Пермского края от партии «Новые люди» Дениса Шитова. Общественная приёмная депутата открылась в Чайковском и будет регулярно принимать обращения граждан Пт 03 февраля 2023, 14:41 Комментариев: 5	Служба «03» информирует Заведующий чайковской станцией скорой медицинской помощи Николай Сухопяткин рассказывает о работе своего учреждения и обстановке в городе Чайковском за прошедшую неделю Вс 05 февраля 2023, 10:58 Комментариев: 0
Что изменится в жизни россиян с 1 февраля 2023 года Некоторые социальные выплаты и материнский капитал станут выше, появится наказание за нарушение закона о «суверенном Рунете», у охотинспекторов станет больше возможностей – эти и другие нововведения появятся в феврале Чт 02 февраля 2023, 12:14 Комментариев: 0	Русские переспали японцев и американцев Австралийские и американские ученые назвали среднюю продолжительность сна человека в России и других странах мира. Препринт исследования находится в распоряжении редакции «Ленты.ру». Вт 24 января 2017, 12:36 Комментариев: 3

Что означает абсолютный ноль?

Температура имеет тенденцию быть относительной — воздух ниже точки замерзания, ее температура выше нормы. Но ученые исследуют крайние точки спектра так называемой абсолютной температуры: на верхнем пределе абсолютная температура — это теоретическая печь, в которой плавятся законы физики. С другой стороны, абсолютный ноль — настолько холодно, что некуда идти, кроме как наверх — почти в пределах досягаемости ученых.

Чтобы понять это, вам сначала нужно немного физики 101. Атомы, из которых состоит материя, всегда движутся. Температура измеряет кинетическую энергию этих атомов или энергию движения. Чем быстрее они двигаются, тем выше их температура. Однако абсолютный ноль — это почти идеальная неподвижность.

Насколько нам известно, ничто во Вселенной или в лаборатории никогда не достигало абсолютного нуля. Даже в космосе фоновая температура составляет 2,7 Кельвина. Но теперь у нас есть для него точное число: -459,67 по Фаренгейту или -273,15 градуса по Цельсию, оба из которых равны 0 кельвинов.

Различные материалы различаются по степени холода, и теория предполагает, что мы никогда не достигнем абсолютного нуля. Но с арсеналом новых инструментов и методов ученые приближаются к этому дну.

(Источник: Элисон Макки/Discover)

(Источник: Фуад А. Саад/Shutterstock)

Почему это важно: сверхтекучие вещества и другие материалы

• Физики из Колорадо-Боулдер наблюдали БЭК, пятое состояние материи, которое существует лишь в пределах осколка абсолютного нуля. При такой низкой температуре отдельные атомы настолько сильно перекрываются, что коллапсируют в единое квантовое состояние, в котором они коллективно действуют как единое целое. Открытие БЭК открыло новую область науки, в которой физики могут исследовать квантовое поведение.

• Квантовые вычисления: вместо битов, единиц и нулей, которые используют обычные компьютеры, квантовые компьютеры используют для вычислений кубиты. Теоретически эти машины могут решать проблемы намного быстрее, чем современные компьютеры. Но чтобы они работали, их атомы или молекулы должны быть охлаждены до пары сотых градуса выше абсолютного нуля, где квантовые свойства не теряются в электрическом шуме, который может создавать тепло.

• Материальные странности: Когда гелий остывает, он становится странным: он может без трения скользить по узким трубкам, поддерживать течение в течение длительного времени и течь вверх и по стенкам контейнера. Ученые описывают его и некоторые ультрахолодные газы, такие как БЭК, как сверхтекучие. В последние годы они предположили, что в нейтронных звездах могут существовать сверхтекучие вещества — небольшие плотные реликты сверхновых, которые недостаточно массивны, чтобы образовать черную дыру. Сверхтекучесть также привела к открытию сверхтвердых тел, обладающих странным свойством течь сквозь себя. Эти материалы позволяют ученым исследовать фундаментальные тайны природы.

Самое холодное природное место во Вселенной

Хотя температура на обратной стороне Луны и в тенистых кратерах Плутона резко падает, эти места выглядят благоухающими по сравнению с туманностью Бумеранг. В этой звездной системе, расположенной примерно в 5000 световых лет от нас, температура всего на 1 кельвин выше абсолютного нуля.

Хотя температура на темной стороне Луны и в тенистых кратерах Плутона резко падает, эти места выглядят благоухающими по сравнению с туманностью Бумеранг. В этой звездной системе, расположенной примерно в 5000 световых лет от нас, температура всего на 1 кельвин выше абсолютного нуля. (Источник: Р. Сахаи и Дж. Траугер (Лаборатория реактивного движения), НАСА/ЕКА)

Как туда добраться: пусть лазеры будут вашим проводником

Чтобы приблизиться к абсолютному нулю, ученые использовали вакуум и лазеры в сложных экспериментах по охлаждению атомов газа. Вакуум может охлаждать газ, не превращая его в жидкость или твердое тело, как это обычно происходит, но его атомы все еще движутся. Вот где на помощь приходят лазеры.

Чтобы охладить атом, несколько пересекающихся лазеров замедляют его скорость. (Фото: Laboratoire Kastler Brossel)

Когда атом поглощает световую частицу или фотон из лазера, он испускает другой фотон. Когда физики правильно настраивают лазеры, атом, движущийся в одном направлении, поглощает один фотон, а затем излучает другой в другом направлении и с более высокой энергией. Затем атом будет замедляться, фотон за фотоном. Поймав атом в перекрестие нескольких лазеров, исследователи могут уменьшить его импульс со всех сторон. Этот метод, впервые использованный в 1970-х, называется лазерным охлаждением.

(Фото: Элисон Макки/Discover)

Но есть способ спуститься еще ниже. Техника, называемая испарительным охлаждением, откачивает атомы газа с самой высокой энергией — подобно охлаждению супа, высвобождая тепло в виде пара. Комбинируя лазеры и испарительное охлаждение по-новому, ученые охладили газы примерно до 50 триллионных долей выше 0 градусов по Кельвину. Это не ноль, но близко.

Ученые используют сложные лазерные установки, подобные этой, для изучения переохлажденных атомов. Холодная материя дает представление о квантовом поведении. (Источник: Laboratoire Kastler Brossel)

Гонка на дно

1926: Химики впервые описывают метод, называемый адиабатическим размагничиванием, который использует магнитные поля для охлаждения материалов ниже 1 Кельвина. В 1933 году ученые использовали его для охлаждения соли до 0,25 Кельвина. Это мало, но не так низко, как лазерное охлаждение.

1978: Первая демонстрация лазерного охлаждения нагревает материалы до 40 кельвинов; 10 лет спустя физики используют лазерное охлаждение для достижения 43 миллионных долей кельвина.

1997: Три физика получили Нобелевскую премию за изобретение лазерного охлаждения.

2015: Исследователи из Стэнфордского университета охладили газ из рубидия — мягкого металла, используемого для изготовления солнечных элементов, — до 50 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля, установив новый рекорд.

2017: Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо, охлаждают алюминиевую мембрану до 0,00036 Кельвина, что ниже, чем теоретически возможное для этого материала. Эксперимент предлагает способ увидеть квантовые эффекты, например, один объект, сосуществующий в двух местах одновременно.

Самое холодное место во Вселенной | Наука

Блестящая идея: Вольфганг Кеттерле (в своей лаборатории Массачусетского технологического института) надеется открыть новые формы материи, изучая ультрахолодные атомы. Ричард Ховард

Где находится самое холодное место во Вселенной? Только не на Луне, где температура опускается всего до минус 378 градусов по Фаренгейту. Даже в самом глубоком космосе, фоновая температура которого оценивается примерно в минус 455°F. Насколько могут судить ученые, самые низкие из когда-либо достигнутых температур наблюдались совсем недавно именно здесь, на Земле.

Рекордно низкие температуры были одним из последних достижений ультрахолодной физики, лабораторного исследования материи при температурах настолько умопомрачительно низких, что атомы и даже свет ведут себя весьма необычным образом. Электрическое сопротивление в некоторых элементах исчезает ниже примерно минус 440°F, явление, называемое сверхпроводимостью. При еще более низких температурах некоторые сжиженные газы становятся «сверхтекучими», способными просачиваться сквозь стенки, достаточно твердые, чтобы удерживать любую другую жидкость; они даже, кажется, бросают вызов гравитации, когда они ползут вверх, над своими контейнерами и из них.

Физики признают, что они никогда не смогут достичь самой низкой мыслимой температуры, известной как абсолютный ноль и давно рассчитанной как минус 459,67°F. Для физиков температура — это мера скорости движения атомов, отражение их энергии, а абсолютный ноль — это точка, в которой абсолютно не остается тепловой энергии, которую можно было бы извлечь из вещества.

Но несколько физиков намерены максимально приблизиться к этому теоретическому пределу, и именно для того, чтобы получить лучшее представление об этом самом редком соревновании, я посетил лабораторию Вольфганга Кеттерле в Массачусетском технологическом институте в Кембридже. В настоящее время он является рекордсменом — по крайней мере, согласно Книга рекордов Гиннеса 2008 — самая низкая температура: 810 триллионных долей градуса по Фаренгейту выше абсолютного нуля. Кеттерле и его коллеги совершили этот подвиг в 2003 году, работая с облаком молекул натрия диаметром около тысячной дюйма, захваченных магнитами.

Я прошу Кеттерле показать мне место, где был установлен рекорд. Мы надеваем очки, чтобы защитить себя от ослепления инфракрасным излучением лазерных лучей, которые используются для замедления и тем самым охлаждения быстро движущихся атомных частиц. Мы пересекаем холл из его солнечного кабинета в темную комнату с нагромождением связанных между собой проводов, маленьких зеркал, вакуумных ламп, лазерных источников и мощного компьютерного оборудования. «Прямо здесь», — говорит он, его голос становится громче от волнения, когда он указывает на черный ящик, к которому ведет обернутая алюминиевой фольгой трубка. «Здесь мы сделали самую низкую температуру».

Достижение Кеттерле стало результатом его поисков совершенно новой формы материи, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Конденсаты не являются стандартными газами, жидкостями или даже твердыми телами. Они образуются, когда облако атомов — иногда миллионы и более — входят в одно и то же квантовое состояние и ведут себя как единое целое. Альберт Эйнштейн и индийский физик Сатьендра Бозе в 1925 году предсказали, что ученые смогут создать такую ​​материю, подвергая атомы воздействию температур, приближающихся к абсолютному нулю. Семьдесят лет спустя Кеттерле, работавший в Массачусетском технологическом институте, и почти одновременно Карл Виман, работавший в Колорадском университете в Боулдере, и Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологий в Боулдере создали первые конденсаты Бозе-Эйнштейна. Все трое сразу же получили Нобелевскую премию. Команда Кеттерле использует БЭК для изучения основных свойств материи, таких как сжимаемость, и лучшего понимания странных низкотемпературных явлений, таких как сверхтекучесть. В конечном счете, Кеттерле, как и многие физики, надеется открыть новые формы материи, которые могли бы действовать как сверхпроводники при комнатной температуре, что произвело бы революцию в том, как люди используют энергию. Для большинства лауреатов Нобелевской премии эта награда завершает долгую карьеру. Но для Кеттерле, которому было 44 года, когда он получил свою награду, создание BEC открыло новую область, которую он и его коллеги будут исследовать десятилетиями.

Еще один претендент на самое холодное место находится в Кембридже, в лаборатории Лене Вестергаард Хау в Гарварде. Ее личный рекорд составляет несколько миллионных долей градуса Фаренгейта выше абсолютного нуля, что близко к показателю Кеттерле, которого она тоже достигла, создавая БЭК. «Теперь мы делаем BEC каждый день», — говорит она, когда мы спускаемся по лестнице в лабораторию, битком набитую оборудованием. Платформа размером с бильярдный стол в центре комнаты выглядит как лабиринт, построенный из крошечных овальных зеркал и лазерных лучей толщиной с карандаш. Используя BEC, Хау и ее коллеги сделали то, что может показаться невозможным: они замедлили свет практически до полной остановки.

Скорость света, как мы все слышали, постоянна: 186 171 миля в секунду в вакууме. Но в реальном мире, вне вакуума, все иначе; например, свет не только изгибается, но и немного замедляется, когда проходит через стекло или воду. Тем не менее, это ничто по сравнению с тем, что происходит, когда Хау направляет лазерный луч света на BEC: это все равно, что бросать бейсбольный мяч в подушку. «Во-первых, мы снизили скорость до скорости велосипеда, — говорит Хау. «Теперь он ползет, и мы действительно можем его остановить — держим свет полностью внутри BEC, смотрим на него, играем с ним, а затем отпускаем, когда будем готовы».

Она может управлять светом таким образом, потому что плотность и температура БЭК замедляют световые импульсы. (Недавно она продвинулась в экспериментах на шаг вперед, остановив импульс в одном БЭК, преобразовав его в электрическую энергию, передав его другому БЭК, затем выпустив его и снова отправив в путь.) Хау использует БЭК, чтобы больше узнать о природе. света и как использовать «медленный свет», то есть свет, заключенный в BEC, для повышения скорости обработки компьютеров и предоставления новых способов хранения информации.

Не все исследования ультрахолода проводятся с использованием БЭК.