Абсолютный ноль¶

Абсолютный ноль — минимальная предельная температура, при которой прекращается тепловое движение частиц вещества. В Международной системе единиц (СИ) абсолютный ноль принят за начало отсчёта термодинамической шкалы температур (шкалы Кельвина) и составляет 0 К (кельвинов), что соответствует −273,15 °C (градусам Цельсия) и −459,67 °F (градусам Фаренгейта). Согласно третьему началу термодинамики, достижение абсолютного нуля физически невозможно, однако к нему можно сколь угодно приблизиться.

¶Физическая сущность

Абсолютный ноль соответствует состоянию вещества с минимально возможной внутренней энергией. В классической статистической физике при этой температуре прекращается поступательное движение молекул и атомов. Однако согласно квантовой механике, даже при абсолютном нуле частицы сохраняют так называемую нулевую энергию — энергию квантовых флуктуаций, обусловленную принципом неопределённости Гейзенберга. Поэтому движение частиц полностью не прекращается, а переходит в состояние основного (низшего) энергетического уровня.

Температура в кельвинах связана с температурой в градусах Цельсия соотношением: T(K) = t(°C) + 273,15. Таким образом, абсолютный ноль является естественной нижней границей температурной шкалы, ниже которой температура не может быть определена физически.

¶История открытия и шкалы

Представление о существовании нижнего предела температуры развивалось в XVII–XIX веках. Французский физик Гийом Амонтон в 1702 году, исследуя зависимость давления газа от температуры, экстраполировал её до нулевого давления и получил значение около −239 °C. В 1779 году Иоганн Ламберт уточнил оценку до −270 °C.

Современное значение абсолютного нуля было установлено лордом Кельвином (Уильямом Томсоном) в 1848 году, когда он предложил термодинамическую шкалу, основанную на втором начале термодинамики. В 1954 году Генеральная конференция по мерам и весам приняла шкалу Кельвина, зафиксировав тройную точку воды (273,16 К) как реперную, что автоматически определило абсолютный ноль как 0 К.

¶Методы достижения сверхнизких температур

Приближение к абсолютному нулю требует сложных криогенных технологий. Основные методы охлаждения:

• Охлаждение жидким гелием: жидкий гелий-4 кипит при 4,2 К, гелий-3 — при 3,2 К. Испарение гелия под вакуумом позволяет достичь температур около 0,7 К.
• Размагничивание (адиабатическое размагничивание): метод основан на охлаждении парамагнитных солей при снятии внешнего магнитного поля; применяется для достижения температур порядка милликельвинов.
• Лазерное охлаждение: используется для охлаждения разреженных газов атомов до температур в микрокельвиновом диапазоне; метод лежит в основе получения конденсата Бозе — Эйнштейна.
• Ядерное размагничивание: охлаждение ядерной спиновой системы позволяет достичь самых низких температур, зафиксированных в лабораторных условиях, — порядка 100 пикокельвинов (10⁻¹⁰ К).

¶Квантовые явления вблизи абсолютного нуля

При температурах, близких к абсолютному нулю, проявляются макроскопические квантовые эффекты:

• Сверхпроводимость: падение электрического сопротивления некоторых металлов и сплавов до нуля (открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году при охлаждении ртути до 4,2 К).
• Сверхтекучесть: состояние жидкого гелия-4 (ниже 2,17 К) и гелия-3 (ниже 2,5 мК), при котором жидкость течёт без вязкости.
• Конденсат Бозе — Эйнштейна: агрегатное состояние разреженного газа бозонов при температурах порядка нанокельвинов, предсказанное Сатьендрой Бозе и Альбертом Эйнштейном в 1924–1925 годах и впервые полученное в 1995 году.

¶Практическое значение

Достижение сверхнизких температур имеет важное прикладное значение. Криогенные температуры используются в:

• магнитной томографии и сверхпроводящих магнитах;
• квантовых компьютерах (кубиты на сверхпроводниках требуют охлаждения до милликельвиновых температур);
• эталонных измерениях и метрологии;
• космических исследованиях (охлаждение инфракрасных телескопов);
• хранении биологических материалов (криоконсервация).

¶Рекорды низких температур

Наиболее низкие температуры, достигнутые в лабораторных условиях, составляют порядка 100 пикокельвинов (10⁻¹⁰ К). Они были получены при ядерном размагничивании в исследовательских центрах, в частности в Хельсинкском технологическом университете (Финляндия) и Массачусетском технологическом институте (США). В природных условиях температуры ниже 1 К не наблюдаются; минимальная естественная температура (около 1 К) зафиксирована в туманности Бумеранг, удалённой от Земли на 5000 световых лет.