Що таке температура абсолютного нуля і чи можливо її досягти

Абсолютний нуль — це теоретична найнижча температура, яку вчені визначили як мінус 273,15 градуса за Цельсієм. Це холодніше, ніж у відкритому космосі, подалі від зірок. Поки ніщо з того, що ми знаємо, не досягло абсолютного нуля. Але чи можливо взагалі дістатися цієї ​​віхи?

Абсолютний нуль

Щоб відповісти на це питання, розберімося, що таке температура. Ми звикли думати про температуру як про те, наскільки щось гаряче чи холодне, але насправді це міра енергії або вібрацій усіх частинок у системі. Гарячі об’єкти мають більше енергії, тому їхні частинки можуть вібрувати швидше. Точка, в якій частинки взагалі не мають енергії — і, отже, припиняють рух, — це те, що визначається як абсолютний нуль.

Вчені зацікавлені в досягненні таких низьких температур, оскільки при уповільненні частинок виникає чимало цікавих квантових ефектів.

Ранні експерименти з наднизькими температурами в 1990-х роках використовували техніку, відому як лазерне охолодження, щоб почати досліджувати ці ефекти. Світло при в такому випадку впливає на атоми з силою, яка уповільнює їх до досить низьких температур, близько 1 кельвіна (мінус 272,15 градуса. Це досить низька температура, щоб спостерігати квантову поведінку в твердих тілах і рідинах, але для газів, які ми вивчаємо, нам потрібні температури в 10 нанокельвінів, щоб отримати ці квантові ефекти.

Найнижча температура, коли-небудь зафіксована в лабораторії, була досягнута групою в Німеччині в 2021 році. Команда скидала намагнічені атоми газу з вежі заввишки 120 метрів, постійно вмикаючи та вимикаючи магнітне поле, щоб сповільнити частинки майже до повної зупинки. У цьому типі експерименту, відомому як охолодження в магнітній пастці, газоподібні частинки досягли неймовірних 38 пікокельвінів – 38 трильйонних частинок градуса вище абсолютного нуля і в межах діапазону, що дозволяє почати спостереження квантових ефектів у газах.

Але чи є сенс намагатися охолодити матеріали ще більше? На думку вчених, мабуть, ні.

Нас набагато більше цікавлять ці квантові ефекти, ніж досягнення абсолютного нуля. Атоми з лазерним охолодженням вже використовуються в атомних стандартах, які визначають всесвітній час (атомні годинники) і в квантових комп’ютерах. Низькотемпературна робота все ще перебуває на стадії дослідження, і люди використовують ці методи для перевірки універсальних фізичних теорій,
– каже Крістофер Фут, фізик наднизьких температур з Оксфордського університету.

Наразі неможливо охолодити цей останній 38 трильйонний градус. Щоб це стало реальністю, потрібно подолати ще кілька перешкод. Насправді навіть якщо ми досягнемо абсолютного нуля, ми можемо й не помітити його через неточність методів вимірювання. За допомогою нинішніх інструментів ми не зможемо сказати, чи це нуль, чи просто дуже, дуже маленьке число. Щоб виміряти абсолютний нуль, потрібен безмежно точний термометр, а це виходить за межі наших нинішніх вимірювальних систем.

Чого може навчити нас Далай-лама про температури нижче абсолютного нуля?

У науковій блогосфері було нещодавно багато галасу навколо експерименту, у якому фізики створили газ з квантових часток з негативною температурою – негативною, тобто нижчою за абсолютний нуль. Це досить дивно, адже абсолютний нуль – це температура, за якої має зупинитися весь рух атомів, це коли атоми, які, зазвичай, хитаються, завмирають на своїх місцях та цілком зупиняються. Ймовірно, холодніше вже не може бути. Чи може щось бути холоднішим за це?

Ось коротка відповідь. Досягти негативної температури можна. Насправді вперше це зробили ще у 1951 році. Але це досягнення не слід розуміти буквально – за негативної температури не є холодніше, ніж за абсолютного нуля. Наприклад, неможливо охолодити якусь річ настільки, щоб її температура впала нижче абсолютного нуля. Насправді, як я спробую пояснити, предмети за негативної температури поводяться так, начебто вони ГАРЯЧІШІ, ніж предмети за будь-якої позитивної температури.

Щоб зрозуміти це, нам слід спочатку з’ясувати, що фізики мають на увазі під температурою. Можливо, ви пам’ятаєте зі шкільної фізики або хімії, що температура вимірює середню кінетичну енергію руху часток. Коли ви нагріваєте речовину, ви прискорюєте рух її молекул, а коли ви охолоджуєте її, ви його уповільнюєте.

Температура вимірює середню кінетичну енергію руху часток. Коли ви нагріваєте речовину, ви прискорюєте рух її молекул, а коли ви охолоджуєте її, ви його уповільнюєте.

Це визначення дійсно мало сенс для мене, коли я міг побачити його на власні очі, тож ось вам модель, щоб ви могли погратися з молекулами газу. Увімкніть свій обігрівач, а потім покрутіть регулятором, щоб додати або забрати тепла, і подивіться, що станеться.

Начебто все просто. Але фізики зрозуміли, що це визначення температури не завжди працює, тому що є ще інші типи енергії, окрім кінетичної. Бувають навіть ситуації, коли об’єкт має енергію, але не відбувається ніякого руху у його традиційному сенсі. Йдеться, наприклад, про спіни, відмінні від нуля, у магніті, або одинички та нулі на вашому жорсткому диску. Це по суті квантові системи, у яких немає сенсу говорити про рух речей, але все одно можна стверджувати, що вони мають певну енергію. Стало ясно, що фізиці необхідне більш фундаментальне визначення температури, що врахувало б ці можливості.

Квантові системи, у яких немає сенсу говорити про рух речей, але все одно можна стверджувати, що вони мають певну енергію. Стало ясно, що фізиці необхідне більш фундаментальне визначення температури, що врахувало б ці можливості.

Ось нове визначення, яке вигадали фізики. Температура вимірює готовність об’єкта віддати енергію. Фактично я збрехав. Вони насправді зовсім не так визначають температуру, тому що фізики розмовляють мовою математики, а не англійською. Вони визначають її як , тобто температура обернено пропорційна нахилу кривої, що пояснює залежність ентропії від енергії.

Температура обернено пропорційна нахилу кривої, що пояснює залежність ентропії від енергії.

Тепер, якщо ви не розумієте математики, я поділюся з вами однією маленькою таємницею. Вам не треба знати ані математики, ані фізики, щоб розуміти, що таке температура. Ви можете скористатися на диво точною аналогією. Я вперше дізнався про неї ще студентом, у чудовому підручнику з теплофізики Деніела Шредера.

Уявіть собі світ, у якому люди постійно обмінюються грошима для досягнення щастя. Це, ймовірно, не так важко уявити. Але є невеликий нюанс.

Люди у цьому суспільстві домовилися, що вони прагнутимуть до максимізації щастя – не лише свого щастя, а й загального щастя у суспільстві. Це має несподівані наслідки. Наприклад, у суспільстві можуть бути деякі люди, які дуже радіють, коли вони заробляють багато грошей. Ми могли б назвати їх жадібними. Інших людей небагато цікавлять гроші – вони стають дещо щасливішими, коли заробляють їх, і дещо сумнішими, коли їх втрачають. Ці люди є щедрими – якщо вони грають за правилами гри, вони повинні давати гроші жадібним людям задля максимізації щастя суспільства.

Так для чого ж я винаходжу цю соціалістичну утопію з невпинним перерозподілом доходів? Це тому, що вона є близьким аналогом до фізики тепла, як сказав Стівен Колберт, реальність є упередженою лібералкою (“лібералкою” в американському значенні цього слова – iPress.ua).

Ось аналогія. Соціалістична комуна є тим, що фізики називають ізольованою системою. Люди є об’єктами у цій системі. Гроші, якими вони обмінюються, є насправді енергією – загальна кількість якої зберігається, але якою постійно обмінюються. Щастя є ентропією – так само, як суспільство хоче максимізувати щастя, фізичні системи прагнуть до максимізації загальної ентропії. І, нарешті, щедрість є температурою, готовністю людей (об’єктів) віддавати гроші (тобто енергію).

Соціалістична комуна є тим, що фізики називають ізольованою системою. Люди є об’єктами у цій системі. Гроші, якими вони обмінюються, є насправді енергією – загальна кількість якої зберігається, але якою постійно обмінюються. Щастя є ентропією – так само, як суспільство хоче максимізувати щастя, фізичні системи прагнуть до максимізації загальної ентропії. І, нарешті, щедрість є температурою, готовністю людей (об’єктів) віддавати гроші (тобто енергію).

Це забагато, щоб запам’ятати, тому ось для вас зручний словничок, який дозволяє перекласти нашу аналогію на реальну фізику:

ГРОШІ ЕНЕРГІЯ

ЩАСТЯ ЕНТРОПІЯ

ЩЕДРІСТЬ ТЕМПЕРАТУРА

Підглядаючи у цей словничок, усе, що ми кажемо про нашу комуну, ми перекладаємо на твердження з фізики.

Тепер уявіть, що наше суспільство складається з таких людей, як Воррен Баффет. Спочатку, коли вони бідні, заробляння грошей робить їх дуже щасливими. Але, коли вони стають багатшими, така сама сума грошей вже не робить їх настільки ж щасливими. Якщо на графік нанесете щастя та багатство цих людей, подібних на Баффета, то залежність між ними виглядатиме приблизно так.

Для Баффетів показник щастя на долар (жадібність) падає із зароблянням більшої кількості грошей.

У цьому світі кожен долар приносить вам менше щастя, ніж останній. Таким чином, щоб максимізувати загальне щастя, багатий Баффет повинен віддати гроші бідному Баффету. Це світ, у якому люди стають щедрішими, коли багатіють. Або ж система, температура якої зростає, коли вона отримує енергію.

У цьому світі кожен долар приносить вам менше щастя, ніж останній. Це світ, у якому люди стають щедрішими, коли багатіють.

Крива Баффета описує нормальні частки, які ми знаємо і любимо, температура яких зростає разом з нагріванням. Це атоми, що хитаються у твердих тілах, рідинах або газах.

Тепер, замість цього, розглянемо світ людей-скнар, таких як дядько Скрудж. Кожен долар, який вони заробляють, робить їх більш щасливими, ніж попередній зароблений долар.

Для Скруджа щастя на долар (жадібність) зростає, коли він багатіє.

На відміну від Баффетів, якщо багатий Скрудж дає долар бідному Скруджу, це призведе до зниження загального щастя Скруджів. Іншими словами, щедрість Скруджів знижується, коли вони заробляють більше грошей. Якщо скористатися нашим словником, це система, температура якої падає, коли вона отримує енергію.

Щедрість Скруджів знижується, коли вони заробляють більше грошей. Якщо скористатися нашим словником, це система, температура якої падає, коли вона отримує енергію.

Подумайте про це ще раз. Чи дійсно може існувати об’єкт, який стає холоднішим, коли ви даєте йому енергію?

Це дійсно може відбуватися, якщо є кілька часток, які притягуються одна до одної.Зірки не розпадаються через дію сили тяжіння, і вони поводяться саме таким чином. Коли зірка втрачає енергію, її температура зростає. Дайте зірці енергію, і ви насправді її охолодите. Чорні діри також поводяться саме таким дивним чином – що більше енергії вони отримують, то більшими вони стають, але, водночас, холоднішими.

І якщо це пояснення не було достатньо нелогічним для вас, ось ще один сценарій. Уявіть світ людей, що досягли просвітлення – вони фактично стають щасливішими, коли втрачають гроші.

У цьому прикладі кожен долар, що його отримує Далай-лама, фактично робить його сумнішим. Тоді природною схильністю людей буде віддавати усі свої гроші тому, хто готовий взяти їх. Ця дивна, перевернута крива, є саме тією ситуацією, яка призводить до негативних температур – просто перейменуйте щастя на ентропію та гроші на енергію (з точки зору математики крива має від’ємний нахил, так що вона повинна мати негативну температуру).

Що відбувається, коли об’єкт з негативною температурою об’єкта зустрічається з об’єктом з позитивною температурою? Щоб з’ясувати це, уявіть собі, що Далай-лама зустрівся з Ворреном Баффетом.

Як це не парадоксально, Далай-лама віддасть свої гроші мільярдеру, тому що втрата грошей зробить його щасливим, а отримані гроші зроблять Баффета лише трішки щасливішим.У цьому дивному обміні зростає загальне щастя. Якщо скористатися нашим словником, енергія перетікає від об’єкта з негативною температурою до об’єкта з будь-якою позитивною температурою!

енергія перетікає від об’єкта з негативною температурою до об’єкта з будь-якою позитивною температурою!

Це може звучати як щось вигадане занадто завзятим теоретиком. Але є реальні матеріали, у яких крива залежності ентропії та енергії виглядає як крива Далай-лами (залежності щастя та грошей), тобто де температура є негативною.

Щоб отримати їх, слід спочатку спроектувати систему, яка має верхню межу своєї енергії. Це дуже рідкісне явище – нормальні, повсякденні речі, з якими ми взаємодіємо, мають кінетичну енергію руху, і для їхньої кінетичної енергії не існує верхньої межі.

Системи з верхнім обмеженням енергії не хочуть перебувати у цьому найвищому енергетичному стані. Так само, як Далай-ламу не влаштовує велике багатство, ці системи мають низьку ентропію (тобто низьку ймовірність знаходження у) у своєму високоенергетичному стані. Ви повинні експериментальним чином змусити систему поводитися саме так.

Вперше це зробили у своєму геніальному експерименті Перселл та Паунд у 1951 році, коли їм вдалося заманити спіни ядер у кристалі фториду літію у саме такий малоймовірний високоенергетичний стан. У цьому експерименті вони підтримували негативну температуру протягом декількох хвилин. Відтоді негативних температур вдавалося досягти у багатьох експериментах, і зовсім недавно її досягли у зовсім іншій сфері, в ультрахолодних атомах квантового газу у лазерній пастці.

Температура є набагато складнішим явищем, ніж те, що ми вимірюємо на термометрі.

Від чорних дір до квантових газів ця аналогія показує нам, що температура є набагато складнішим явищем, ніж те, що ми вимірюємо на термометрі.

Вчені обґрунтували існування температури нижчої за абсолютний нуль

Вченим вдалося здійснити щось неймовірне: вони змогли охолодити речовину нижче температури, яка досі вважалася абсолютним мінімумом. У більшості сучасних підручників з фізики абсолютний нуль за шкалою Кельвіна або мінус 273,15 градусів за Цельсієм вважається найнижчою з можливих температур, оскільки при ній навіть найлегший елемент – водень – повністю втрачає свою рухливість, тобто, кажучи фігурально, замерзає.

Як не дивно, але одним із способів вивчення негативних температур є нескінченно сильний розігрів речовини. Цей незвичайний підхід, що дозволяє у теорії проектувати двигуни, ККД яких буде вище 100%, проливає світло на такі загадкові субстанції, як темна енергія та інші речі.

З точки зору атомної фізики, температура – це швидкість. Швидкість руху атомів всередині речовини, і чим швидше атоми рухаються, тим вища температура. Відповідно, при мінус 273,15 градусах атоми водню повністю зупиняються. З таким підходом, ніяка речовина не може бути холодніше цього ліміту.

Однак сучасна фізика, щоб зрозуміти сутність температури, пропонує поглянути на неї інакше – не як на лінійний показник, а як на петлю: позитивні температури – це одна частина циклу, негативні – інша. При температурах, що прямують до безкінечно низьких або безкінечно високих, шкала рано чи пізно опиняється на негативній області. При позитивних температурах атоми частіше займають найнижчі енергетичні стани, а при негативних – високі. У фізиці цей ефект відомий, як розподіл Больцмана.

При абсолютному нулі атоми займають найнижчий енергетичний стан, а при “безкінечній температурі” атоми можуть займати відразу всі енергетичні стани. Відповідно, при дуже високих температурах вони займають усі високі енергетичні стани, а при дуже низьких температурах – усі низькі.

“Говорячи про низьку температуру, можна говорити, що ми маємо справу з перевернутим розподілом Больцмана”, – говорить фізик Ульріх Шнайдер із Мюнхенського університету у Німеччині. “За такою логікою, речовина, що досягає температури нижче абсолютного нуля, стає гарячою. Ми вважаємо, що при досягненні межі у мінус 273 градуса температура не закінчується, а просто переходить до від’ємних показників”.

Як нескладно припустити, об’єкти з негативною температурою поводяться дуже дивно. Наприклад, зазвичай енергія, що виходить від об’єкта з більш високою температурою, завжди буде більшою, ніж від холоднішого об’єкта. Однак якщо речовина переходить на негативну шкалу, то там чим вона холодніша, тим більше енергії випромінює. Таким чином, тут більш холодний об’єкт завжди буде більш енергетично активний, ніж більш теплий.

Іншим дивним наслідком негативних температур є ентропія – показник того, наскільки речовина є впорядкованою. Коли об’єкт має традиційну температуру, він збільшує ентропію речовини навколо і всередині себе, але коли температура переходить у негативну зону, безкінечно “холодний / гарячий” об’єкт здатний знижувати ентропію всередині і навколо себе.

Німецькі фізики говорять, що негативна температура – це поки значною мірою теорія. Але вона стане практикою, коли наука навчиться працювати з чіткими енергетичними показниками одного окремо взятого атома речовини. Коли дослідники зможуть працювати з одним окремим атомом подібно до того, як з об’єктами у макросвіті, можна буде говорити про те, чи зможуть атоми охолоджуватися до супернизьких температур або чи можуть вони переміщатись швидше ніж світло.

Поки ж для генерації негативних температур вчені створили систему, у якій атоми мали жорстку межу того, якою енергією вони можуть володіти. Для цього фізики взяли 100 000 атомів і охолодили їх до температури в одну мільярдну градуса Кельвіна. Атоми були охолоджені у вакуумній камері, ізольованій від зовнішнього середовища. Для точного контролю атомів дослідники застосовували мережу лазерних променів і магнітних полів.

За словами вчених, температура речовини у кінцевому підсумку залежить від того, скільки потенційної енергії є у атома і скільки енергії утворюється від взаємодії між атомами. Крім того, температура також тісно пов’язана з тиском – чим гарячіший об’єкт, тим більше він розширюється і навпаки. Щоб переконатися у тому, що газ може мати температуру нижче абсолютного нуля, потрібно було створити такі умови, у яких самі атоми не мали б істотної енергії, а від відштовхування атомів утворювалося б більше енергії, ніж від їх притягування.

Щось подібне вдалось відтворити у наномасштабі. Симон Браун із Мюнхенського університету говорить, що у майбутньому на практиці такі знання можуть привести до створення надефективних теплових двигунів. Робота таких двигунів ґрунтуватиметься на перетворенні теплової енергії у механічну. Теоретично, з негативними температурами такі двигуни могли б мати ККД вище 100%, хоча з точки зору логіки це здається неможливим.