Что будет при абсолютном нуле
Что такое абсолютный ноль?
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.
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.
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.
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.
Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?
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.
Как ученые рассчитали значение абсолютного нуля
Согласно законам термодинамики, абсолютный нуль недостижим. При этой температуре все атомы и молекулы обладают минимумом энергии
Температура является мерой движения атомов и молекул. С этой точки зрения абсолютный нуль представляет собой температуру, при которой атомы и молекулы перестают двигаться — у них просто нет энергии для передвижения или колебаний. Меньшие по размеру элементарные частицы могут двигаться даже при, казалось бы, полном отсутствии энергии. Это объясняется принципом неопределенности Гейзенберга, согласно которому мы не можем одновременно точно измерить координату и импульс квантовой частицы.
Абсолютный нуль считается началом отсчета абсолютных температурных шкал, в частности, шкалы Кельвина. По этой шкале температура замерзания воды составляет 273,16 градуса. Впервые о возможности существования минимума температур высказался Роберт Бойль в 1665 году. Он думал, что существует некое тело, имеющее минимальную температуру и содержащееся в других телах. Согласно Бойлю, именно благодаря этому телу все остальные объекты имеют свою температуру.
За ним последовали эксперименты французского физика Гийома Амонтона, который с помощью своего «воздушного» термометра измерял «упругость» воздуха. Физик утверждал, что самой низкой будет та температура, при которой упругость воздуха станет нулевой.
Абсолютный ноль
Автор: Маглипогода · Опубликовано 23.12.2019 · Обновлено 27.06.2021
В рамках применимости термодинамики абсолютный нуль 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 (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.
Что такое температура.
Температура — важная физическая величина, удобное и понятное обозначение для бытовых определений «тепло» или «холодно». Говоря о градусах Цельсия, до которых остыл или нагрелся воздух, мы в первую очередь задумываемся о том, что надеть, а не о физическом смысле явления. Хотя он очень и очень интересен. Ещё больше некоторых интересует, а насколько суровым и трескучим может быть мороз? Как сильно можно охладить тело? До нуля, конечно. Только до абсолютного и то не совсем. Всему виной опять же законы природы, которые описывает физика.
Агрегатные состояния вещества при изменении температуры
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 со все 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?
Итак, чтобы разобраться в вопросе, надо понять, а каков смысл температуры? Градусы по Цельсию, Кельвину, Фаренгейту — всего лишь понятная человеку форма, которая описывает энергию молекул. Представьте себе жаркий день, обжигающий воздух и зимнюю ночь. В первом случае энергия молекул, которые составляют газ, будет очень высокой, а во втором — низкой. Температура и описывает меру этой энергии. Конечно, есть более точные и правильные определения,где говорится об энтропии, но не будем их рассматривать, чтобы не усложнять заметку.
Возможно ли достижение температуры тела абсолютного ноля.
Температурная шкала Цельсия, термодинамическая шкала Кельвина и шкала Фаренгейта.
Абсолютный ноль лежит в основе шкалы измерения температуры — шкалы Кельвина. Она удобна для расчётов и используется в технике. Шкала Кельвина наиболее правильно отражает состояние молекул, не обладая участками с отрицательным значением температур.
Спасибо что прочитали!
Следите за погодой и климатом вместе с нами!
Что такое абсолютный нуль?
Абсолютный ноль, теоретически, является самой низкой из возможных температур и, следовательно, самой низкой возможной полной энергией системы. Хотя можно ожидать, что движение всех частиц остановится на абсолютном нуле, на самом деле это не так. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что даже при минимально возможной температуре субатомные частицы все еще будут обладать остаточной кинетической энергией, известной как энергия нулевой точки. Странный результат этого факта заключается в том, что плотно упакованные электроны в металле при абсолютном нуле будут иметь ту же энергию, что и обычный газ при 50000 ° C. Таким образом, хотя в абсолютном нуле системы энтропия равна нулю, полная энергия системы не равна нулю.
Температуры в пределах нескольких миллиардных долей степени абсолютного нуля были достигнуты в лаборатории. При таких низких температурах вещества попадают в своеобразное состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором их квантовые волновые функции сливаются, и частицы теряют свою индивидуальную идентичность.
В глубоком смысле, абсолютный ноль лежит на асимптотическом пределе низкой энергии так же, как скорость света лежит для частиц с массой на асимптотическом пределе высокой энергии. В обоих случаях энергия движения — кинетическая энергия — является ключевой величиной. В конце высокой энергии, когда средняя скорость частиц вещества приближается к скорости света, температура возрастает без ограничений.
На пути к абсолютному нулю
Каждое вещество содержит определенное количество тепла, даже относительно холодное вещество, такое как лед. Тепло является результатом непрерывного движения молекул вещества, которые благодаря этому движению обладают кинетической энергией. Температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Чем холоднее вещество, тем меньше его молекулы движутся. Таким образом, должна быть возможность продолжать охлаждение до точки, в которой молекулярное движение полностью прекращается. Эта точка, «абсолютный нуль», представляет большой интерес для ученых, но на практике недостижима. При температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы проявляют замечательные свойства, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Расчет абсолютного нуля
Нацеленность на абсолютный нуль
Температуру газа можно снизить, сначала сжав газ в корпусе с фиксированным объемом, а затем отводя полученное тепло, например, с помощью окружающей водяной рубашки. Если затем газу позволяют выходить в больший объем, он становится еще холоднее, поскольку его молекулы теряют кинетическую энергию во время расширения. Этот цикл используется в холодильнике и может сжижать и даже замораживать многие газы.
Газом, наиболее полезным в экспериментах при очень низких температурах, был гелий, газ с самой низкой температурой кипения, 4.2K (-269 ° C). Температура жидкого гелия может быть дополнительно снижена до 1 К путем вакуумной откачки газа выше уровня жидкости, чтобы снизить его давление и тем самым снизить температуру кипения. Жидкий гелий обычно производится на установке для сжижения воздуха, поскольку один из редких газов, оставшихся после сжижения кислорода и азота.
Ниже 1K трудно добиться дальнейшего охлаждения, и используется низкотемпературный эффект, который возникает в некоторых твердых веществах. Некоторые соли действуют как магниты, когда погружены в сильное магнитное поле, но перестают быть магнитными при удалении поля. Это явление известно как парамагнетизм. Когда соль намагничена, ее молекулы выстраиваются в поле, но расстраиваются при удалении поля. Если парамагнитное твердое вещество охлаждают до 1 К жидким гелием, которому дают испариться, тепловая энергия удаляется из твердого вещества. Когда сильное магнитное поле включено, молекулы выравниваются и создают тепло при своем движении. Это удалено окружающим газом гелия, который откачан. Когда поле выключено, молекулы становятся неупорядоченными и вызывают дальнейшее снижение внутренней энергии твердого тела. Холодная соль может затем поглощать тепло из второго контейнера с гелием. Цикл намагничивания и размагничивания может производить температуры в несколько тысячных градуса Кельвина.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость
Жидкий гелий при очень низких температурах не только трудно получить, но и ведет он себя самым необычным образом. Быстрое кипение происходит, когда давление пара падает, но при 2,18 К внутреннее барботирование газа гелия внезапно прекращается, хотя кипение продолжается. Ниже этого так называемого «лямбда-точки» жидкий гелий проявляет «сверхтекучие» свойства.
Вблизи абсолютного нуля некоторые вещества проявляют замечательные свойства. Например, становится возможным своего рода вечное движение электрического тока, то есть некоторые металлы и сплавы обладают сверхпроводимостью. При понижении их температуры (например, до 7 К для свинца) электрическое сопротивление материала полностью исчезает. Если электрический ток может течь в кольце такого металла, он продолжает течь. Таким образом, ток течет без ослабления в течение нескольких лет.
Сверхпроводимость была обнаружена голландским физиком Хайке Камерлинг Оннес. Теоретически она может быть использована в качестве основы для некоторых компьютерных запоминающих устройств, поскольку при хранении в сверхпроводнике информация остается неизменной. Магнитное поле достаточной силы может разрушить сверхпроводящее состояние, и этот эффект можно использовать для создания высокоскоростного устройства переключения тока. Поскольку сверхпроводящий материал имеет нулевое электрическое сопротивление, через него могут проходить очень большие токи. В результате сверхпроводящие обмотки для электромагнитов могут быть использованы для создания чрезвычайно мощных магнитных полей.
uCrazy.ru
