Що таке температура абсолютного нуля і чи можливо її досягти

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.

Дивіться також Науковці виявили найдавніші докази фотосинтезу

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.